Spoznajte Dopplerjev učinek

Astronomi preučujejo svetlobo oddaljenih predmetov, da bi jih razumeli. Svetloba se giblje skozi vesolje s hitrostjo 299.000 kilometrov na sekundo, njeno pot pa je mogoče odbiti tako, da jo gravitacija tudi absorbira in raztrese oblake materiala v vesolju. Astronomi uporabljajo številne lastnosti svetlobe za preučevanje vsega, od planetov in njihovih lun do najbolj oddaljenih predmetov v kozmosu.

Eno orodje, ki ga uporabljajo, je Doplerov učinek. To je premik frekvence ali valovne dolžine sevanja, ki ga oddaja predmet, ko se giblje skozi vesolje. Ime je dobila po avstrijskem fiziku Christianu Dopplerju, ki ga je prvič predlagal leta 1842.

Kako deluje Dopplerjev učinek? Če je vir sevanja recimo a zvezda, se premika proti astronomu na Zemlji (na primer), potem se bo valovna dolžina njegovega sevanja zdela krajša (višja frekvenca in s tem višja energija). Če se predmet oddalji od opazovalca, se bo valovna dolžina prikazala daljše (nižja frekvenca in nižja energija). Verjetno ste že doživeli različico učinka, ko ste slišali žvižganje vlaka ali policijsko sireno, ko se je premikal mimo vas, spreminjajoč se, ko gre mimo vas in se oddaljuje.

Dopplerov učinek stoji za takšnimi tehnologijami, kot je policijski radar, kjer "radarska pištola" oddaja svetlobo znane valovne dolžine. Nato se ta radarska "luč" odbije od premikajočega se avtomobila in odpotuje nazaj k instrumentu. Nastali premik valovne dolžine se uporablja za izračun hitrosti vozila. (Opomba: gre pravzaprav za dvojni premik, saj se gibajoči avtomobil najprej deluje kot opazovalec in doživi premik, nato kot gibljiv vir, ki pošilja svetlobo nazaj v pisarno in s tem na sekundo prestavlja valovno dolžino čas.)

Ko se objekt od opazovalca umakne (tj. Odmakne), bodo vrhovi sevanja, ki jih oddajajo, razporejeni dlje, kot bi bili, če bi bil izvorni vir nepremičen. Rezultat tega je, da je nastala valovna dolžina svetlobe daljša. Astronomi pravijo, da je "preusmerjen na rdeči" konec spektra.

Enak učinek velja za vse pasove elektromagnetnega spektra, kot so radio, rentgen ali gama žarki. Vendar so optične meritve najpogostejše in so vir izraza "rdeče premikanje". Hitreje ko se vir odmakne od opazovalca, večji je rdeče premikanje. Z energijskega stališča daljše valovne dolžine ustrezajo manjšemu energijskemu sevanju.

Ko pa se vir sevanja opazovalcu približuje, se valovne dolžine svetlobe zbližajo, kar učinkovito skrajša valovno dolžino svetlobe. (Spet krajša valovna dolžina pomeni višjo frekvenco in s tem večjo energijo.) Spektroskopsko bi se emisijske črte zdele premaknjene proti modri strani optičnega spektra, od tod tudi ime blueshift.

Tako kot pri rdečem premiku je učinek uporaben tudi za druge pasove elektromagnetnega spektra, vendar je učinek najbolj pogosto obravnavajo pri optični svetlobi, čeprav na nekaterih področjih astronomije to zagotovo ni Ovitek.

Uporaba Dopplerovega premika je povzročila nekaj pomembnih odkritij v astronomiji. V zgodnjih 1900-ih je veljalo, da je vesolje je bil statičen. Pravzaprav je to vodilo Albert Einstein v njegovo znamenito enačbo polja dodati kozmološko konstanto, da bi "preklical" širitev (ali krčenje), ki je bila predvidena z njegovim izračunom. Natančneje, nekoč je veljalo, da je "rob" mlečna cesta je predstavljal mejo statičnega vesolja.

Potem je dr. Edwin Hubble ugotovili, da so tako imenovane "spiralne meglice", ki so desetletja mučile astronomijo ne meglice sploh. Pravzaprav so bile druge galaksije. Bilo je neverjetno odkritje in astronomom je povedalo, da je vesolje je veliko večja, kot so vedeli.

Hubble je nato nadaljeval z merjenjem Dopplerovega premika in natančno ugotovil rdečo premik teh galaksij. Ugotovil je, da dlje kot je galaksija, hitreje se ji odpove. To je privedlo do zdaj znanega Hubblov zakon, ki pravi, da je razdalja predmeta sorazmerna s hitrostjo recesije.

To razodetje je Einsteina pripeljalo do tega njegovo dodatek kozmološke konstante k enačbi polja je bil največja napaka njegove kariere. Zanimivo pa je, da nekateri raziskovalci zdaj postavljajo stalno nazaj v splošna relativnost.

Kot kaže, je Hubblov zakon resničen le do trenutka, saj so raziskave zadnjih nekaj desetletij to ugotovile oddaljene galaksije se umikajo hitreje, kot je bilo napovedano. To pomeni, da se širjenje vesolja pospešuje. Razlog za to je skrivnost in znanstveniki so poimenovali gonilno silo tega pospeška temna energija. V enačbi polja Einsteina jih obravnavajo kot kozmološko konstanto (čeprav je drugačne oblike kot Einsteinova formulacija).

Poleg merjenja širitve vesolja lahko Dopplerjev učinek uporabimo za modeliranje gibanja stvari, ki so veliko bližje domu; in sicer dinamiko Galaksija Mlečne poti.

Z merjenjem razdalje do zvezd in njihovega rdečega premikanja ali premikanja modrosti astronomi lahko preslikajo zemljevid gibanja naše galaksije in si oglejte, kako lahko naša galaksija izgleda opazovalcu iz vsega vesolje.

Dopplerjev učinek znanstvenikom omogoča tudi merjenje pulzacij spremenljivih zvezd, pa tudi gibki delcev, ki potujejo z neverjetno hitrostjo znotraj relativističnih curkov iz supermasivne črne luknje.

Uredil in posodobil Carolyn Collins Petersen.