Lees meer over het Doppler-effect

Astronomen bestuderen het licht van verre objecten om ze te begrijpen. Licht beweegt zich door de ruimte met 299.000 kilometer per seconde en het pad kan worden afgebogen door de zwaartekracht en worden geabsorbeerd en verstrooid door wolken van materiaal in het universum. Astronomen gebruiken veel eigenschappen van licht om alles te bestuderen, van planeten en hun manen tot de verste objecten in de kosmos.

Een hulpmiddel dat ze gebruiken is het Doppler-effect. Dit is een verschuiving in de frequentie of golflengte van straling die wordt uitgezonden door een object terwijl het door de ruimte beweegt. Het is genoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Christian Doppler die het voor het eerst in 1842 voorstelde.

Hoe werkt het Doppler-effect? Als de stralingsbron, zeg een ster, beweegt naar een astronoom op aarde (bijvoorbeeld), dan zal de golflengte van de straling korter lijken (hogere frequentie, en dus hogere energie). Aan de andere kant, als het object van de waarnemer weg beweegt, zal de golflengte langer lijken (lagere frequentie en lagere energie). U heeft waarschijnlijk een versie van het effect ervaren toen u een treinfluitje of een politie-sirene hoorde terwijl deze langs u reed, de toonhoogte veranderde terwijl deze langs u liep en wegreed.

Het Doppler-effect zit achter technologieën als de politieradar, waar het "radarpistool" licht van een bekende golflengte uitzendt. Dan weerkaatst dat radar "licht" van een rijdende auto en reist terug naar het instrument. De resulterende verschuiving in golflengte wordt gebruikt om de snelheid van het voertuig te berekenen. (Let op: het is eigenlijk een dubbele shift aangezien de rijdende auto eerst de waarnemer is en een shift ervaart, vervolgens als een bewegende bron die het licht terug naar het kantoor stuurt, waardoor de golflengte een seconde verschuift tijd.)

Wanneer een object zich terugtrekt (d.w.z. weg beweegt) van een waarnemer, zullen de pieken van de uitgezonden straling verder van elkaar verwijderd zijn dan wanneer het bronobject stil zou staan. Het resultaat is dat de resulterende golflengte van licht langer lijkt. Astronomen zeggen dat het "verschoven is naar het rode" uiteinde van het spectrum.

Hetzelfde effect is van toepassing op alle banden van het elektromagnetische spectrum, zoals radio, röntgenfoto of gamma stralen. Optische metingen komen echter het meest voor en zijn de bron van de term "roodverschuiving". Hoe sneller de bron zich van de waarnemer verwijdert, hoe groter de roodverschuiving. Vanuit energetisch oogpunt komen langere golflengten overeen met straling met lagere energie.

Omgekeerd, wanneer een stralingsbron een waarnemer nadert, lijken de golflengten van licht dichter bij elkaar, waardoor de golflengte van licht effectief wordt verkort. (Nogmaals, een kortere golflengte betekent een hogere frequentie en dus een hogere energie.) Spectroscopisch lijken de emissielijnen verschoven naar de blauwe kant van het optische spectrum, vandaar de naam blauwverschuiving.

Net als bij roodverschuiving is het effect van toepassing op andere banden van het elektromagnetische spectrum, maar het effect is het grootst vaak besproken met betrekking tot optisch licht, hoewel dit op sommige gebieden van de astronomie zeker niet het geval is geval.

Het gebruik van de Doppler-verschuiving heeft geleid tot enkele belangrijke ontdekkingen in de astronomie. In het begin van de twintigste eeuw werd aangenomen dat de universum was statisch. Dit leidde in feite Albert Einstein om de kosmologische constante toe te voegen aan zijn beroemde veldvergelijking om de door zijn berekening voorspelde expansie (of contractie) "op te heffen". Specifiek werd ooit gedacht dat de "rand" van de Melkweg vertegenwoordigde de grens van het statische universum.

Vervolgens, Edwin Hubble ontdekte dat de zogenaamde "spiraalnevels" die de astronomie decennialang geplaagd hadden, waren niet nevels helemaal. Het waren eigenlijk andere sterrenstelsels. Het was een geweldige ontdekking en vertelde astronomen dat de universum is veel groter dan ze wisten.

Hubble ging vervolgens door met het meten van de Doppler-verschuiving, waarbij hij specifiek de roodverschuiving van deze sterrenstelsels vond. Hij ontdekte dat hoe verder een sterrenstelsel verwijderd is, hoe sneller het wegsterft. Dit leidde tot het inmiddels beroemde De wet van Hubble, die zegt dat de afstand van een object evenredig is met de recessiesnelheid.

Deze openbaring bracht Einstein ertoe dat te schrijven zijn toevoeging van de kosmologische constante aan de veldvergelijking was de grootste blunder van zijn carrière. Interessant is echter dat sommige onderzoekers de constante nu plaatsen terug in algemene relativiteit.

Het blijkt dat de wet van Hubble slechts tot op zekere hoogte waar is, aangezien onderzoek van de afgelopen decennia dat heeft aangetoond verre sterrenstelsels gaan sneller achteruit dan voorspeld. Dit houdt in dat de uitdijing van het universum versnelt. De reden daarvoor is een mysterie en wetenschappers hebben de drijvende kracht achter deze versnelling genoemd donkere energie. Ze verklaren het in de Einstein-veldvergelijking als een kosmologische constante (hoewel het een andere vorm heeft dan de formulering van Einstein).

Naast het meten van de uitdijing van het heelal, kan het Doppler-effect worden gebruikt om de beweging van dingen veel dichter bij huis te modelleren; namelijk de dynamiek van de Melkwegstelsel.

Door de afstand tot sterren en hun roodverschuiving of blauwverschuiving te meten, kunnen astronomen de beweging van ons sterrenstelsel en krijg een beeld van hoe ons sterrenstelsel eruit kan zien voor een waarnemer van over de hele wereld universum.

Met het Doppler-effect kunnen wetenschappers ook de pulsaties van variabele sterren meten bewegingen van deeltjes die met ongelooflijke snelheden reizen in relativistische straalstromen die uitgaan van superzware zwarte gaten.

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.