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Erfahren Sie mehr über den Doppler-Effekt

Astronomen untersuchen das Licht entfernter Objekte, 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 emittiert wird, wenn 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. beispielsweise auf einen Astronomen auf der Erde zubewegt, erscheint die Wellenlänge seiner Strahlung kürzer (höhere Frequenz und damit höhere Energie). Wenn sich das Objekt dagegen vom Betrachter wegbewegt, erscheint die Wellenlänge länger (niedrigere Frequenz und niedrigere Energie). Sie haben wahrscheinlich eine Version des Effekts erlebt, als Sie ein Zugpfeifen oder eine Polizeisirene hörten, als es an Ihnen vorbeifuhr und die Tonhöhe änderte, wenn es an Ihnen vorbeifuhr und sich entfernte.

Der Doppler-Effekt steckt hinter solchen Technologien wie Polizeiradar, bei denen die „Radarkanone“ Licht einer bekannten Wellenlänge emittiert. 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: Es handelt sich tatsächlich 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 zurückzieht (dh von ihm wegbewegt), sind die emittierten Strahlungsspitzen 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 niedrigerer Energie.

 

Blauverschiebung

Wenn sich umgekehrt eine Strahlungsquelle einem Beobachter nähert, erscheinen die Wellenlängen des Lichts näher beieinander, wodurch die Wellenlänge des Lichts effektiv verkürzt wird. (Wiederum bedeutet eine kürzere Wellenlänge eine höhere Frequenz und daher eine 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 beim Umgang mit optischem Licht diskutiert, obwohl dies in einigen Bereichen der Astronomie sicherlich nicht der Fall ist.

 

Expansion des Universums und 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 führte dies Albert Einstein dazu, die kosmologische Konstante zu seiner berühmten Feldgleichung hinzuzufügen, um die durch seine Berechnung vorhergesagte Expansion (oder Kontraktion) „aufzuheben“. Insbesondere wurde einmal angenommen, dass der „Rand“ der Milchstraße die Grenze des statischen Universums darstellt.

Dann stellte Edwin Hubble fest, dass die sogenannten „Spiralnebel“, die die Astronomie jahrzehntelang geplagt hatten, überhaupt keine Nebel waren. 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 insbesondere die Rotverschiebung dieser Galaxien zu finden. Er fand heraus, dass eine Galaxie umso schneller zurückgeht, je weiter sie entfernt ist. Dies führte zu dem mittlerweile berühmten Hubble-Gesetz. das besagt, dass die Entfernung eines Objekts proportional zu seiner Rezessionsgeschwindigkeit ist.

Diese Offenbarung veranlasste Einstein zu schreiben, dass seine Hinzufügung der kosmologischen Konstante zur Feldgleichung der größte Fehler seiner Karriere war. Interessanterweise setzen einige Forscher die Konstante jetzt wieder in die allgemeine Relativitätstheorie zurück .

Wie sich herausstellt, gilt das Hubble-Gesetz nur bis zu einem gewissen Punkt, da Untersuchungen in den letzten Jahrzehnten ergeben haben, 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 der dunklen Energie genannt. Sie erklären dies in der Einstein-Feldgleichung als kosmologische Konstante (obwohl sie eine andere Form hat als Einsteins Formulierung).

 

Andere Verwendungen in der Astronomie

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

Durch die Messung der Entfernung zu Sternen und ihrer Rotverschiebung oder Blauverschiebung können Astronomen die Bewegung unserer Galaxie abbilden und sich ein Bild davon machen, wie unsere Galaxie für einen Beobachter aus dem gesamten Universum aussehen könnte.

Mit dem Doppler-Effekt können Wissenschaftler auch die Pulsationen variabler Sterne sowie die Bewegungen von Partikeln messen, die sich mit unglaublichen Geschwindigkeiten in relativistischen Strahlströmen bewegen, die von supermassiven Schwarzen Löchern ausgehen .

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.

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