rødforskyvning

Dopplereffekten opptrer for både lyd- og lysbølger. Til venstre: Kilden L ligger i ro og bølgelengden L sender ut, er den samme for person A som for person B. Til høyre: Kilden beveger seg raskt bort fra person A mot person B. A vil nå observere en lengre bølgelengde enn B.

Av /Store norske leksikon ※.
Kosmisk rødforskyvning: Bølgelengden strekkes ut når universet utvider seg.
kosmisk rødforskyvning
Lisens: CC BY NC SA 3.0
Når lys sendes oppover i et gravitasjonsfelt, for eksempel fra en tung stjerne, vil vi få gravitasjonell rødforskyvning.
gravitasjonell rødforskyvning
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Rødforskyvning er en forskyvning av bølgelengden til lys mot spekterets røde del, det vil si en økning av bølgelengden. Den motsatte effekten kalles blåforskyvning.

Når vi skal beskrive rødforskyvning er det viktig å skille mellom en lyskilde og en observatør. En lyskilde er noe som sender ut lys, for eksempel en lommelykt eller en stjerne. En observatør er den som mottar (observerer) lyset. Vi kan få rødforskyvning på tre forskjellige måter:

  • Ved dopplereffekten. Dette skjer når lyskilde og observatør beveger seg vekk fra hverandre.
  • Ved gravitasjonell rødforskyvning. Dette skjer når lyskilden befinner seg lenger ned i et gravitasjonsfelt felt enn observatøren.
  • Ved kosmisk rødforskyvning. Dette skjer på grunn av at universet utvider seg.

De to siste effektene er beskrevet i relativitetsteori, og de var ikke kjent før Albert Einstein utformet relativitetsteorien på begynnelsen av 1900-tallet.

Dopplereffekten

Dopplereffekten oppstår når lyskilden og observatøren beveger seg vekk fra hverandre. Dersom lyskilden og observatøren beveger seg mot hverandre, måler observatøren en blåforskyvning av lyset. Begge disse effektene ble kalt dopplereffekten fordi disse effektene først ble beskrevet av den østerrikske fysikeren Christian Doppler i 1842.

Dopplereffekten har mange anvendelser, for eksempel for å bestemme hastigheter ved bruk av radar, eller for å beregne hvor raskt en stjerne beveger seg mot oss eller fra oss.

Dopplereffekten opptrer også for lydbølger. Les mer under dopplereffekt.

Gravitasjonell rødforskyvning

Den gravitasjonelle rødforskyvningen er at lys fra kilder lengre nede i et tyngdefelt enn observatøren vil få en rødforskyvning. Dette er illustrert i artikkelen om relativitetsteorien. Omvendt vil lys fra kilder høyere oppe enn observatøren få en blåforskyvning. En felles betegnelse for disse effektene er den gravitasjonelle frekvensforkyvningen. Effekten er målt blant annet i Pound-Rebka-eksperimentet.

Kosmisk rødforskyvning

Den andre relativistiske frekvensforskyvningseffekten er den kosmiske rødforskyvningen. Det er at lys fra fjerne kilder i universet får en rødforskyvning proporsjonal med deres avstand fra observatøren. Årsaken er universet ekspansjon. På vei fra kilden til observatøren strekkes lysbølgene fordi rommet utvider seg.

Observasjoner av kosmisk rødforskyvning er bakgrunnen for at man på 1930-tallet oppdaget at universet utvider seg (se kosmologiens historie). Kosmisk rødforskyvning lå også til grunn da vi på slutten av 1990-tallet oppdaget at universet utvider seg med akselererende hastighet og at det trolig inneholder store mengder mørk energi.

Måling av rødforskyvning

For å kunne måle rødforskyvning må man kjenne bølgelengden lyset hadde da det ble sendt ut fra kilden. I noen tilfeller, som ved bruk av laser eller radar, er denne bølgelengden kjent. I andre tilfeller, når man studerer astronomiske objekter, er det vanlig å observere spektrallinjer med kjente bølgelengder.

Frekvensforskyvning for stjerner og galakser

I alminnelighet vil frekvensforskyvningen til lys fra et kosmisk objekt skyldes alle tre effektene. For å forstå hvordan dette henger sammen må vi se litt på bevegelsen av fjerne objekter i universet.

Lyset fra stjerner og galakser kan ha flere bidrag til frekvensforskyvningen. De to viktigste er vanligvis:

  • Den spesifikke hastigheten (peculiar velocity, egenhastighet), vp, som er komponenten langs synslinjen av hastighetsbidraget fra lokale gravitasjonsfelter, for eksempel gravitasjonskraften fra en galakse på en stjerne. Lyset fra en stjerne i en fjern galakse vi få en dopplereffekt på grunn av stjernens spesifikke hastighet. Hvis stjernen beveger seg mot jorda gir dopplereffekten en blåforskyvning, og hvis den beveger seg vekk fra jorda i sin bane rundt galaksens sentrum blir det en rødforskyvning.
  • Kosmisk rødforskyvning som skyldes at lysbølgene strekkes når universet utvider seg. Denne kosmiske rødforskyvningen er det igjen mulig å dele opp i to komponenter: Den viktigste, spesielt når avstandene er store, er vH. Dette er utvidelshastigheten i henhold til Hubbles lov, vH = H0s, der H0 kalles Hubbles konstant og s er objektets avstand fra observatøren. Den andre er en effekt som skyldes den gravitasjonelle frekvensforskyvningen fra den kosmiske massen mellom observatøren og det observerte objektet.

Objektets hastighet langs synslinjen observert fra Jorda er v = vP + vH. Det er v som måles ved å studere spektrallinjer fra fjerne stjerner. Typiske spesifikke hastigheter er 400 km/s, mens verdien av vH er gitt i Hubbles lov, vH = H0s. Verdien av H0 er omtrent 20 km/s per million lysår. Det betyr at først i avstander over 20 millioner lysår vil ekspansjonshastigheten dominere over de spesifikke hastighetene.

I tillegg vil lys sendt ut fra for eksempel en nøytronstjerne få en målbar ekstra gravitasjonell rødforskyvning, siden lyset må bevege seg ut av stjernens sterke gravitasjonsfelt for at vi skal kunne observere det.

Er den kosmiske rødforskyvningen en dopplereffekt?

Man kan vise matematisk at for små avstander, si under 100 millioner lysår, kan den kosmiske rødforskyvningen skrives som summen av to bidrag: en dopplereffekt på grunn av farten legemet har på grunn av universets ekspansjon, og en gravitasjonell frekvensforskyvning på grunn av gravitasjonsfeltet fra den kosmiske massen mellom observatøren og det observerte objektet. Dette betyr at den kosmiske rødforskyvningen inneholder både dopplereffekten knyttet til objektets hastighet vekk fra observatøren på grunn av universets ekspansjon, og den gravitasjonelle frekvensforskyvningen på grunn av den utjevnede massen i universet.

Den kosmiske rødforskyvningen er altså ikke en dopplereffekt, men en ekspansjonseffekt.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg