Was sind Rotverschiebung und Blauverschiebung? Wie Astronomen die Entfernung weit entfernter Objekte ermitteln

Wenn Astronomen starren in die tiefes Universum oder bei den Spektren eines entfernten Sterns, der ein subtil verbirgt Exoplanet, müssen sie seine Bewegung berücksichtigen. Das beruht auf zwei Phänomenen – Rotverschiebung und Blauverschiebung.

Wenn sich Objekte von uns entfernen, wird ihr Licht in längere Wellenlängen oder das rote Ende des Spektrums verschoben – das ist Rotverschiebung. Blauverschiebung ist das Gegenteil, wenn Licht zu kürzeren Wellenlängen auf der blauen Seite des Spektrums verschoben wird, wenn ein Objekt auf uns zukommt. Diese geben wichtige Hinweise auf Dinge wie die Entfernung – und wenn Sie auf eine ferne Galaxie starren, wissen Sie, wie nahe Sie daran sind, auf den Anbruch der Zeit zurückzublicken. Dies ist wichtig für Teleskope wie das James-Webb-Weltraumteleskop, das seine Interessengruppen damit beauftragt haben, etwas über die frühesten Galaxien im jungen Universum zu lernen.

Um mehr über Rotverschiebung und Blauverschiebung zu erfahren, Umkehren sprach mit Salvator Vitale, Assistenzprofessor für Physik am Massachusetts Institute of Technology. Vitale führt Datenanalysen zu Gravitationswellen (Wellen in der Raumzeit) durch, die vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nach großen Ereignissen wie der Verschmelzung von Schwarzen Löchern beauftragt wurden. LIGO Physiker arbeiten mit Astrophysikern zusammen, um die Entfernung zu den von ihnen gemessenen Gravitationswellen mithilfe von Rotverschiebung und Blauverschiebung aufzuzeichnen – wobei sie sich auf mehrere Wege stützen, um die Verschmelzung einiger der stärksten Kräfte im Universum zu verstehen.

Diese NASA-Visualisierung zeigt, wie etwas allmählich rot wird, wenn es sich von der Erde entfernt. NASA

Blauverschiebung und Rotverschiebung verstehen

Während Rotverschiebung und Blauverschiebung esoterisch klingen, sagte Vitale, dass wir sie im täglichen Leben mit den Sirenen von Krankenwagen und Polizeiautos erleben. Schall und Licht sind mit Wellen verbunden, daher funktioniert die Analogie: „Schall hat eine andere Distanz zurückzulegen, wenn das Auto auf Sie zukommt, anstatt von Ihnen weg“, erzählt Vitale Umkehren.

Wenn sich die Sirene nähert, nimmt die Frequenz des Tons zu, und wenn sie sich entfernt, nimmt die Frequenz des Tons ab. Dies ist im Volksmund bekannter als die Doppler-Effekt, was der scheinbare Unterschied zwischen der Frequenz der Wellen ist, die ein Beobachter relativ zur Quelle der Wellen erfährt. Der Bewegungsunterschied zwischen dem Beobachter und der Quelle der Wellen erzeugt diesen Effekt.

Beim Betrachten von Objekten im sichtbaren Licht fügte er hinzu: „Das Universum war freundlich zu uns.“ Atome haben immer charakteristische Frequenzraten, was bedeutet, dass wir (zum Beispiel) genau sagen können, welche Frequenz der Wasserstoff in Sternen im Labor haben sollte. Wenn also Wasserstoff, der in einem Sternensystem beobachtet wird, eine niedrigere Frequenz hat, entfernt sich das Sternensystem und umgekehrt.

Rotverschiebung und die Expansion des Universums

Normalerweise wird Rotverschiebung diskutiert, wenn es um die Expansion des Universums geht. Ein Ereignis vor 13,8 Milliarden Jahren, genannt die Urknall, verursachte die schnelle Inflation und Expansion der Raumzeit. Astronomen sehen immer noch die Echos dieses Urknalls, da sich alle Objekte im Universum voneinander entfernen und somit eine gewisse Rotverschiebung erfahren.

Die am weitesten entfernten Objekte haben die höchste Rotverschiebung. Wir wissen, dass das Universum beschleunigt, dank der Messung der Rotverschiebung einer bestimmten Art von Sternexplosion (Supernova), genannt Ias. Astronomen haben diese Art von Supernovae „Standardkerzen“ genannt, da sie eine konstante Leuchtkraft haben. Da wir die inhärente Helligkeit dieser Supernovae kennen, können wir ihre Helligkeit in Verbindung mit der Entfernung aufzeichnen.

Die Überraschung kam 1998, als Astronomen verkündeten, Supernovae würden viel schneller zurückgehen als erwartet. Zuvor gingen Astronomen davon aus, dass sich das Universum mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnt. Dies führte zu der Erkenntnis, dass das Universum beschleunigt, wenn es sich ausdehnt, basierend auf zwei unabhängigen Studien von Supernovae, an denen das Hubble-Weltraumteleskop und viele andere Observatorien beteiligt waren, um sicherzustellen, dass sie die Dinge richtig sehen.

Warum das Universum beschleunigt, während es sich bewegt, ist umstritten, aber die führende Hypothese ist eine theoretische Kraft namens „dunkle Energie.“ Astronomen nannten die Energie „dunkel“, weil wir sie mit unseren herkömmlichen Teleskopinstrumenten, die Lichtwellenformen betrachten, nicht wahrnehmen können. Aber wir können die Wirkung der Energie messen, da wir sehen können, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt.

Wir können zwar nicht feststellen, warum die Beschleunigung stattfindet, aber die Entdeckung dieses Phänomens gab den Entdeckungsteams ein Nobelpreis in 2011.

Während sich das James-Webb-Weltraumteleskop auf das erste Licht vorbereitet, freuen sich Astronomen besonders darauf, seine Infrarotfähigkeiten zu nutzen, um auf Objekte mit hoher Rotverschiebung zurück ins frühe Universum zu blicken, die kurz nach einer Periode namens Epoche der Reionisierung – woher – stammen werden Die ersten Galaxien gaben dem Universum einen durchsichtigen Glanz.

HD1 ist eine Kandidatengalaxie, die vielleicht die am weitesten entfernte Galaxie ist, die wir je gesehen haben – ein Relikt des frühen Universums. Harikaneet al.

LIGO und Rotverschiebung

LIGO ist eine planetengroße Anordnung von Teleskopen, die riesige Ereignisse in der Raumzeit aufzeichnen, was sich auch auf Rotverschiebungsmessungen stützt. Im Oktober 2017 machten Astronomen den ersten bestätigten Nachweis von Gravitationswellen. Sie sahen die Wirkung zweier zusammenstoßender Neutronensterne – oder die dichten, stadtgroßen Überreste von Sternen, die nach Supernova-Explosionen übrig geblieben sind.

Während der Gravitationswellenaspekt der ersten Entdeckung die meiste Aufmerksamkeit erhält, ist es für Astronomen auch von Bedeutung, dass sie dieses Ereignis in Wellen des sichtbaren Lichts gechartert haben, erklärt Vitale. Für dasselbe Ereignis sagte er: „Sie können das Licht von der Quelle verwenden, um die Rotverschiebung zu erhalten, und Sie können die Gravitationswellen von der Quelle verwenden, um die Entfernung zu erhalten.“ Mit anderen Worten, für dieses Ereignis und andere Gravitationswellen müssen wir die Rotverschiebung verwenden, um die Entfernung zu verstehen.

Wie messen wir diesen Abstand? Es geht auf Albert Einsteins Gleichungen aus dem Jahr 1916 zurück, als seine allgemeine Relativitätstheorie diskutierte, wie massive Objekte wie diese Neutronensternkollisionen das Raum-Zeit-Gefüge verzerren könnten. Supercomputer in den 1990er Jahren ermöglichten es den Forschern schließlich, diese Verzerrungen genau zu kartieren. Astronomen konnten die von Einstein vorhergesagten Feldgleichungen modellieren.

Heutzutage ist es für Gravitationswellenwissenschaftler üblich, verschiedene Arten von Verschmelzungen (z. B. zwischen Neutronensternen oder zwischen Schwarzen Löchern) in unterschiedlichen Entfernungen zu modellieren. Wenn diese Ereignisse dann in der realen Welt gesehen werden, haben sie „Wellenformen“ oder Modellwellenlängen, die sie verwenden können, um das, was sie sehen, mit der vorhergesagten Entfernung abzugleichen. Das ist 2017 erfolgreich passiert.

Entfernung und Rotverschiebung zusammen ermöglichen es den Astronomen somit, die Expansion des Universums zu messen, was der tiefere Grund ist, warum dieses Gravitationswellenereignis so bedeutsam war, dass die Teams für ihre Arbeit einen Nobelpreis erhielten.

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