Erfahren Sie mehr über den Doppler-Effekt

Astronomen untersuchen das Licht von entfernten Objekten, um sie zu verstehen. Licht bewegt sich mit 299.000 Kilometern pro Sekunde durch den Weltraum, und sein Weg kann durch die Schwerkraft abgelenkt sowie von Materialwolken im Universum absorbiert und gestreut werden. Astronomen nutzen viele Eigenschaften des Lichts, um alles zu untersuchen, von Planeten und ihren Monden bis zu den entferntesten Objekten im Kosmos. 

Eintauchen in den Doppler-Effekt

Ein Werkzeug, das sie verwenden, ist der Doppler-Effekt. Dies ist eine Verschiebung der Frequenz oder Wellenlänge der Strahlung, die von einem Objekt ausgesandt wird, während es sich durch den Raum bewegt. Es ist nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler benannt, der es erstmals 1842 vorschlug. 

Wie funktioniert der Doppler-Effekt? Wenn sich die Strahlungsquelle, beispielsweise ein Stern, auf einen Astronomen auf der Erde zubewegt, erscheint die Wellenlänge seiner Strahlung kürzer (höhere Frequenz und damit höhere Energie). Bewegt sich das Objekt dagegen vom Betrachter weg, erscheint die Wellenlänge länger (niedrigere Frequenz und niedrigere Energie). Wahrscheinlich haben Sie eine Version des Effekts erlebt, als Sie ein Zugpfeifen oder eine Polizeisirene hörten, die an Ihnen vorbeiging und die Tonhöhe änderte, während sie an Ihnen vorbeiging und sich entfernte.

Der Doppler-Effekt steckt hinter solchen Technologien wie Polizeiradar, bei denen die "Radarkanone" Licht bekannter Wellenlänge aussendet. Dann prallt dieses Radar- "Licht" von einem fahrenden Auto ab und fährt zurück zum Instrument. Die resultierende Wellenlängenverschiebung wird verwendet, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu berechnen. (Hinweis: Tatsächlich handelt es sich um eine Doppelverschiebung, da das sich bewegende Auto zuerst als Beobachter fungiert und eine Verschiebung erfährt, dann als sich bewegende Quelle, die das Licht zurück ins Büro sendet und dadurch die Wellenlänge ein zweites Mal verschiebt.)

Rotverschiebung

Wenn sich ein Objekt von einem Beobachter entfernt (d. H. Wegbewegt), sind die Spitzen der emittierten Strahlung weiter voneinander entfernt als wenn das Quellobjekt stationär wäre. Das Ergebnis ist, dass die resultierende Wellenlänge des Lichts länger erscheint. Astronomen sagen, dass es zum roten Ende des Spektrums "verschoben" ist.

Der gleiche Effekt gilt für alle Bänder des elektromagnetischen Spektrums wie Radio-, Röntgen- oder Gammastrahlen. Optische Messungen sind jedoch am häufigsten und die Quelle des Begriffs "Rotverschiebung". Je schneller sich die Quelle vom Beobachter entfernt, desto größer ist die Rotverschiebung. Aus energetischer Sicht entsprechen längere Wellenlängen einer Strahlung mit geringerer Energie.

Blauverschiebung

Wenn sich umgekehrt eine Strahlungsquelle einem Beobachter nähert, erscheinen die Lichtwellenlängen näher beieinander, wodurch die Lichtwellenlänge effektiv verkürzt wird. (Wiederum bedeutet kürzere Wellenlänge höhere Frequenz und damit höhere Energie.) Spektroskopisch würden die Emissionslinien in Richtung der blauen Seite des optischen Spektrums verschoben erscheinen, daher der Name Blueshift.

Wie bei der Rotverschiebung ist der Effekt auf andere Bänder des elektromagnetischen Spektrums anwendbar, aber der Effekt wird am häufigsten diskutiert, wenn es um optisches Licht geht, obwohl dies in einigen Bereichen der Astronomie sicherlich nicht der Fall ist.

Expansion des Universums und der Doppler-Verschiebung

Die Verwendung der Doppler-Verschiebung hat zu einigen wichtigen Entdeckungen in der Astronomie geführt. In den frühen 1900er Jahren glaubte man, das Universum sei statisch. Tatsächlich veranlasste dies Albert Einstein, die kosmologische Konstante zu seiner berühmten Feldgleichung hinzuzufügen, um die Expansion (oder Kontraktion), die durch seine Berechnung vorhergesagt wurde, "aufzuheben". Insbesondere wurde früher angenommen, dass der "Rand" der Milchstraße die Grenze des statischen Universums darstellt.

Dann stellte Edwin Hubble fest, dass es sich um die sogenannten "Spiralnebel" handelte, die die Astronomie seit Jahrzehnten geplagt hatten nicht Nebel überhaupt. Sie waren tatsächlich andere Galaxien. Es war eine erstaunliche Entdeckung und sagte den Astronomen, dass das Universum viel größer ist, als sie wussten.

Hubble fuhr dann fort, die Doppler-Verschiebung zu messen, und bestimmte dabei die Rotverschiebung dieser Galaxien. Er stellte fest, dass eine Galaxie umso schneller zurückgeht, je weiter sie entfernt ist. Dies führte zu dem heute bekannten Hubble-Gesetz, das besagt, dass die Entfernung eines Objekts proportional zu seiner Rezessionsgeschwindigkeit ist.

Diese Enthüllung veranlasste Einstein, das zu schreiben seine Das Hinzufügen der kosmologischen Konstante zur Feldgleichung war der größte Fehler seiner Karriere. Interessanterweise setzen jedoch einige Forscher jetzt die Konstante zurück in die allgemeine Relativitätstheorie.

Wie sich herausstellt, ist das Hubble-Gesetz nur bis zu einem gewissen Punkt wahr, da die Forschung in den letzten Jahrzehnten herausgefunden hat, dass entfernte Galaxien schneller zurückgehen als vorhergesagt. Dies impliziert, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Der Grund dafür ist ein Rätsel, und Wissenschaftler haben die treibende Kraft dieser Beschleunigung genannt dunkle Energie. Sie erklären es in der Einstein-Feldgleichung als kosmologische Konstante (obwohl es eine andere Form als Einsteins Formulierung hat)..

Andere Anwendungen in der Astronomie

Neben der Messung der Ausdehnung des Universums kann der Doppler-Effekt verwendet werden, um die Bewegung von Dingen zu modellieren, die sich viel näher an der Heimat befinden. nämlich die Dynamik der Milchstraße.