Wie Redshift die Expansion des Universums zeigt

Wenn Sterngucker zum Nachthimmel aufblicken, sehen sie Licht. Es ist ein wesentlicher Teil des Universums, das über große Entfernungen gereist ist. Dieses Licht, das formal als "elektromagnetische Strahlung" bezeichnet wird, enthält eine Fülle von Informationen über das Objekt, von dem es stammt, von seiner Temperatur bis zu seinen Bewegungen.

Astronomen untersuchen Licht in einer Technik namens "Spektroskopie". Es erlaubt ihnen, es auf seine Wellenlängen zu zerlegen, um ein sogenanntes "Spektrum" zu erzeugen. Sie können unter anderem feststellen, ob sich ein Objekt von uns entfernt. Sie verwenden eine Eigenschaft, die als "Rotverschiebung" bezeichnet wird, um die Bewegung von Objekten zu beschreiben, die sich im Raum voneinander entfernen.

Rotverschiebung tritt auf, wenn ein Objekt, das elektromagnetische Strahlung aussendet, von einem Beobachter zurücktritt. Das erkannte Licht erscheint "rötlicher" als es sein sollte, da es zum "roten" Ende des Spektrums verschoben ist. Rotverschiebung kann niemand "sehen". Es ist ein Effekt, den Astronomen im Licht messen, indem sie seine Wellenlängen untersuchen. 

So funktioniert Redshift

Ein Objekt (üblicherweise als "Quelle" bezeichnet) sendet oder absorbiert elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Satzes von Wellenlängen. Die meisten Sterne geben ein breites Spektrum an Licht ab, von sichtbar über Infrarot, Ultraviolett, Röntgen usw..

Wenn sich die Quelle vom Betrachter wegbewegt, scheint sich die Wellenlänge "auszudehnen" oder zu vergrößern. Jeder Peak wird weiter vom vorherigen Peak entfernt ausgestrahlt, wenn das Objekt zurücktritt. In ähnlicher Weise nimmt die Frequenz und damit die Energie ab, während die Wellenlänge zunimmt (rötet).

Je schneller sich das Objekt zurückzieht, desto größer ist seine Rotverschiebung. Dieses Phänomen ist auf den Doppler-Effekt zurückzuführen. Die Menschen auf der Erde kennen die Doppler-Verschiebung auf sehr praktische Weise. Beispielsweise sind einige der häufigsten Anwendungen des Doppler-Effekts (sowohl Rotverschiebung als auch Blauschiebung) Polizeiradarkanonen. Sie lenken Signale von einem Fahrzeug ab und die Höhe der Rotverschiebung oder der Blauverschiebung sagt einem Offizier, wie schnell es geht. Doppler-Wetterradar sagt Prognostikern, wie schnell sich ein Sturmsystem bewegt. Die Verwendung von Doppler-Techniken in der Astronomie folgt den gleichen Prinzipien, aber anstelle von Ticketing-Galaxien lernen Astronomen damit ihre Bewegungen. 

Die Art und Weise, wie Astronomen die Rotverschiebung (und die Blauverschiebung) bestimmen, besteht darin, ein Instrument zu verwenden, das als Spektrograph (oder Spektrometer) bezeichnet wird, um das von einem Objekt emittierte Licht zu betrachten. Winzige Unterschiede in den Spektrallinien zeigen eine Verschiebung in Richtung Rot (für Rotverschiebung) oder Blau (für Blauverschiebung). Wenn die Unterschiede eine Rotverschiebung anzeigen, bedeutet dies, dass das Objekt zurücktritt. Wenn sie blau sind, nähert sich das Objekt.

Die Expansion des Universums

In den frühen 1900er Jahren dachten Astronomen, dass das gesamte Universum in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, eingeschlossen sei. Messungen an anderen Galaxien, von denen angenommen wurde, dass sie nur Nebel in unseren eigenen sind, zeigten jedoch, dass es sich tatsächlich um solche Galaxien handelt draußen der Milchstraße. Diese Entdeckung wurde von dem Astronomen Edwin P. Hubble gemacht, basierend auf Messungen variabler Sterne durch einen anderen Astronomen namens Henrietta Leavitt. 

Darüber hinaus wurden für diese Galaxien Rotverschiebungen (und in einigen Fällen auch Blauverschiebungen) sowie deren Abstände gemessen. Hubble machte die überraschende Entdeckung, dass die Rotverschiebung für uns umso größer ist, je weiter eine Galaxie entfernt ist. Diese Korrelation ist jetzt als Hubble-Gesetz bekannt. Es hilft Astronomen, die Expansion des Universums zu definieren. Es zeigt auch, dass je weiter Objekte von uns entfernt sind, desto schneller sie zurücktreten. (Dies ist im weitesten Sinne wahr, es gibt zum Beispiel lokale Galaxien, die sich aufgrund der Bewegung unserer "lokalen Gruppe" auf uns zubewegen.) Zum größten Teil weichen Objekte im Universum voneinander und voneinander ab Diese Bewegung kann gemessen werden, indem ihre Rotverschiebungen analysiert werden.

Andere Verwendungen von Rotverschiebung in der Astronomie

Astronomen können mithilfe der Rotverschiebung die Bewegung der Milchstraße bestimmen. Dazu messen sie die Doppler-Verschiebung von Objekten in unserer Galaxie. Diese Informationen zeigen, wie sich andere Sterne und Nebel in Bezug auf die Erde bewegen. Sie können auch die Bewegung sehr ferner Galaxien messen - sogenannte "Galaxien mit hoher Rotverschiebung". Dies ist ein schnell wachsendes Gebiet der Astronomie. Es konzentriert sich nicht nur auf Galaxien, sondern auch auf andere Objekte, beispielsweise die Quellen von Gammastrahlenausbrüchen.

Diese Objekte haben eine sehr hohe Rotverschiebung, was bedeutet, dass sie sich mit enorm hohen Geschwindigkeiten von uns entfernen. Astronomen vergeben den Buchstaben z zur Rotverschiebung. Das erklärt, warum manchmal eine Geschichte herauskommt, die besagt, dass eine Galaxie eine Rotverschiebung von hat z= 1 oder so ähnlich. Die frühesten Epochen des Universums liegen bei a z Die Rotverschiebung gibt den Astronomen auch die Möglichkeit zu verstehen, wie weit die Dinge entfernt sind und wie schnell sie sich bewegen. 

Das Studium ferner Objekte gibt Astronomen auch eine Momentaufnahme des Zustands des Universums vor etwa 13,7 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt begann die kosmische Geschichte mit dem Urknall. Das Universum scheint sich seit dieser Zeit nicht nur zu erweitern, sondern es beschleunigt sich auch. Die Quelle dieses Effekts ist dunkle Energie, ein nicht gut verstandener Teil des Universums. Astronomen, die die Rotverschiebung verwenden, um kosmologische (große) Entfernungen zu messen, stellen fest, dass die Beschleunigung in der gesamten kosmischen Geschichte nicht immer gleich war. Der Grund für diese Änderung ist immer noch nicht bekannt und dieser Effekt der dunklen Energie bleibt ein faszinierendes Forschungsgebiet in der Kosmologie (das Studium des Ursprungs und der Evolution des Universums).

Herausgegeben von Carolyn Collins Petersen.