Het zichtbare lichtspectrum.
(Afbeelding: © NASA.)
Roodverschuiving en blauwverschuiving beschrijven hoe licht verschuift naar kortere of langere golflengten wanneer objecten in de ruimte (zoals sterren of sterrenstelsels) dichterbij of verder weg van ons komen. Het concept is essentieel om de uitbreiding van het universum in kaart te brengen.
Zichtbaar licht is een spectrum van kleuren, dat duidelijk is voor iedereen die naar een regenboog heeft gekeken. Wanneer een object van ons weg beweegt, wordt het licht naar het rode uiteinde van het spectrum verschoven, omdat de golflengten langer worden. Als een object dichterbij komt, beweegt het licht naar het blauwe uiteinde van het spectrum, omdat de golflengten korter worden.
Om hier duidelijker over na te denken, stelt de European Space Agency voor, stel je voor dat je luistert naar een politie-sirene terwijl de auto langs je rijdt.
"Iedereen heeft de verhoogde toonhoogte van een naderende politie-sirene gehoord en de scherpe afname van de toonhoogte als de sirene voorbij komt en zich terugtrekt. Het effect ontstaat omdat de geluidsgolven dichter bij elkaar komen als de bron dichterbij komt en verder uit elkaar als het dichterbij komt. verdwijnt ", schreef ESA.
Geluid en licht
Dit geluidseffect werd voor het eerst beschreven door Christian Andreas Doppler in de jaren 1800 en wordt het Doppler-effect genoemd. Aangezien licht ook in golflengten uitkomt, betekent dit dat de golflengten samen kunnen uitrekken of kraken afhankelijk van de relatieve positie van objecten. Dat gezegd hebbende, merken we het niet op de schaal van dagelijks leven omdat licht zoveel sneller reist dan de snelheid van geluid - een miljoen keer sneller, merkte ESA op.
De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (naar wie de Hubble-ruimtetelescoop is vernoemd) was de eerste die het fenomeen roodverschuiving beschreef en het aan een groeiend universum bond. Zijn waarnemingen, onthuld in 1929, toonden aan dat bijna alle sterrenstelsels die hij waarnam zich verplaatsen, zei NASA.
'Dit fenomeen werd waargenomen als een roodverschuiving in het spectrum van een melkwegstelsel', schreef NASA. 'Deze roodverschuiving bleek groter te zijn voor zwakke, vermoedelijk verder, sterrenstelsels. Dus hoe verder een sterrenstelsel, hoe sneller het zich van de aarde terugtrekt.'
De sterrenstelsels bewegen zich weg van de aarde omdat het weefsel van de ruimte zelf uitzet. Terwijl sterrenstelsels zelf in beweging zijn - de Andromeda-melkweg en de Melkweg bevinden zich bijvoorbeeld op een botsingscursus - is er een algemeen fenomeen van roodverschuiving als het universum groter wordt.
De termen roodverschuiving en blauwverschuiving zijn van toepassing op elk deel van het elektromagnetische spectrum, inclusief radiogolven, infrarood, ultraviolet, röntgenstralen en gammastraling. Dus als radiogolven naar het ultraviolette deel van het spectrum worden verschoven, wordt er gezegd dat ze blauw zijn verschoven of naar de hogere frequenties zijn verschoven. Gammastralen die naar radiogolven zijn verschoven, zouden een verschuiving naar lagere frequentie of een roodverschuiving betekenen.
De roodverschuiving van een object wordt gemeten door de absorptie- of emissielijnen in zijn spectrum te onderzoeken. Deze lijnen zijn uniek voor elk element en hebben altijd dezelfde afstand. Wanneer een object in de ruimte naar of van ons af beweegt, zijn de lijnen te vinden op verschillende golflengten dan waar ze zouden zijn als het object niet zou bewegen (ten opzichte van ons). [Verwante: maak uw eigen spectroscoop]
Roodverschuiving wordt gedefinieerd als de verandering in de golflengte van het licht gedeeld door de golflengte die het licht zou hebben als de bron niet bewoog - de rustgolflengte genoemd:
Drie soorten roodverschuiving
Ten minste drie soorten roodverschuiving komen voor in het heelal - van de uitdijing van het heelal, van de beweging van sterrenstelsels ten opzichte van elkaar en van 'zwaartekracht-roodverschuiving', die plaatsvindt wanneer het licht wordt verplaatst vanwege de enorme hoeveelheid materie in een sterrenstelsel.
Deze laatste roodverschuiving is de subtielste van de drie, maar in 2011 konden wetenschappers het op een schaal van universumformaat identificeren. Astronomen hebben een statistische analyse gemaakt van een grote catalogus die bekend staat als de Sloan Digital Sky Survey, en ontdekten dat gravitationele roodverschuiving plaatsvindt - precies in overeenstemming met Einsteins algemene relativiteitstheorie. Dit werk is gepubliceerd in een Nature-paper.
"We hebben onafhankelijke metingen van de clustermassa's, zodat we kunnen berekenen wat de verwachting is voor zwaartekracht-roodverschuiving op basis van algemene relativiteit," zei astrofysicus Radek Wojtak van de Universiteit van Kopenhagen destijds. 'Het komt precies overeen met de metingen van dit effect.'
De eerste detectie van zwaartekracht-roodverschuiving vond plaats in 1959, nadat wetenschappers het hadden gedetecteerd in gammastraallicht dat afkomstig was van een op aarde gebaseerd laboratorium. Vóór 2011 werd het ook gevonden in de zon en in nabijgelegen witte dwergen, of de dode sterren die overblijven nadat sterren ter grootte van een zon op latere leeftijd hun kernfusie stopzetten.
Opmerkelijk gebruik van roodverschuiving
Redshift helpt astronomen om de afstanden van verre objecten te vergelijken. In 2011 kondigden wetenschappers aan dat ze het verste object ooit hadden gezien: een gammastraaluitbarsting genaamd GRB 090429B, afkomstig van een exploderende ster. Destijds schatten wetenschappers dat de explosie 13,14 miljard jaar geleden plaatsvond. Ter vergelijking: de oerknal vond 13,8 miljard jaar geleden plaats.
Het verste bekende sterrenstelsel is GN-z11. In 2016 stelde de Hubble-ruimtetelescoop vast dat deze slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal bestond. Wetenschappers maten de roodverschuiving van GN-z11 om te zien in hoeverre het licht was beïnvloed door de uitdijing van het universum. De roodverschuiving van GN-z11 was 11,1, veel hoger dan de op één na hoogste roodverschuiving van 8,68 gemeten vanaf het sterrenstelsel EGSY8p7.
Wetenschappers kunnen roodverschuiving gebruiken om te meten hoe het universum op grote schaal is opgebouwd. Een voorbeeld hiervan is de Hercules-Corona Borealis Great Wall; licht heeft ongeveer 10 miljard jaar nodig om over de structuur te gaan. De Sloan Digital Sky Survey is een doorlopend roodverschuivingsproject dat de roodverschuivingen van enkele miljoenen objecten probeert te meten. De eerste roodverschuivingsenquête was de CfA RedShift Survey, die in 1982 de eerste gegevensverzameling voltooide.
Een opkomend onderzoeksgebied betreft het verkrijgen van informatie over roodverschuiving uit zwaartekrachtgolven, dit zijn verstoringen in de ruimtetijd die optreden wanneer een massief lichaam wordt versneld of verstoord. (Einstein suggereerde voor het eerst het bestaan van zwaartekrachtsgolven in 1916, en de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ontdekte ze voor het eerst rechtstreeks in 2016). Omdat gravitatiegolven een signaal dragen dat hun roodverschoven massa laat zien, vereist het extraheren van de roodverschuiving enige berekening en schatting, volgens een artikel uit 2014 in het peer-reviewed tijdschrift Physical Review X.
Opmerking van de uitgever: Dit artikel is bijgewerkt op 7 augustus 2019 om een correctie weer te geven. Radiogolven die naar het ultraviolette deel van het spectrum zijn verschoven, zijn blauw verschoven, niet rood verschoven.
