Durch subtile Farbänderungen des Sternenlichts können Astronomen Planeten finden, die Geschwindigkeit von Galaxien messen und die Expansion des Universums verfolgen.
Astronomen verwenden Rotverschiebungen Um die Rotation unserer Galaxie zu verfolgen, ziehen Sie den subtilen Ruck eines entfernten Planeten an seinem übergeordneten Stern heraus und messen Sie die Expansionsrate des Universums. Was ist eine Rotverschiebung? Es wird oft mit der Art verglichen, wie ein Polizist Sie beim Tempo ertappt. Im Fall der Astronomie ergeben sich diese Antworten aus unserer Fähigkeit, winzige Änderungen in der Farbe des Lichts zu erkennen.
Polizei und Astronomen stützen sich beide auf ein Prinzip, das Doppler-Shift genannt wird. Das haben Sie erlebt, als Sie in der Nähe eines vorbeifahrenden Zuges standen. Wenn sich der Zug nähert, hört man das Hupen an einer bestimmten Stelle Tonhöhe. Plötzlich, als der Zug fährt, sinkt die Tonhöhe. Warum hängt die Hupentonhöhe davon ab, wo sich der Zug befindet?
Der Schall kann sich nur so schnell durch die Luft bewegen - ungefähr 1.200 Kilometer pro Stunde (ungefähr 750 Meilen pro Stunde). Während der Zug vorwärts rast und mit der Hupe hupt, werden die Schallwellen vor dem Zug zusammengequetscht. Währenddessen breiten sich die Schallwellen hinter dem Zug aus. Dies bedeutet, dass die Frequenz der Schallwellen vor dem Zug jetzt höher und hinter dem Zug niedriger ist. Unser Gehirn interpretiert Änderungen der Schallfrequenz als Änderungen der Tonhöhe. Für eine Person am Boden ertönt die Hupe hoch, wenn sich der Zug nähert, und geht dann tief, wenn sich der Zug zurückzieht.
Während sich ein Auto bewegt, werden die Schallwellen davor zusammengedrückt, während sich die dahinter befindlichen ausbreiten. Dies ändert die wahrgenommene Frequenz und wir hören, wie sich die Tonhöhe ändert, wenn das Auto vorbeifährt. Bildnachweis: Wikipedia
Licht ist wie Ton auch eine Welle, die mit einer festen Geschwindigkeit steckt - eins Milliarde kilometer pro stunde - und spielt deshalb nach den gleichen regeln. Außer im Falle von Licht nehmen wir Änderungen in der Frequenz als Änderungen in der Farbe wahr. Wenn sich eine Glühbirne sehr schnell durch den Raum bewegt, erscheint das Licht blau, wenn es sich Ihnen nähert, und wird dann rot, wenn es vorbeigeht.
Durch Messen dieser geringfügigen Änderungen der Lichtfrequenz können Astronomen die Geschwindigkeit von allem im Universum messen!
Genau wie Geräusche von einem fahrenden Auto, wenn sich ein Stern von uns entfernt, wird das Licht roter. Wenn es sich auf uns zubewegt, wird das Licht blauer. Bildnachweis: Wikipedia
Natürlich ist es nicht schwer, diese Messungen durchzuführen, als nur zu sagen: „Dieser Stern sieht roter aus, als er sollte.“ Stattdessen verwenden Astronomen Marker im Spektrum des Sternenlichts. Wenn Sie einen Taschenlampenstrahl durch ein Prisma strahlen, erscheint auf der anderen Seite ein Regenbogen. Wenn Sie jedoch einen durchsichtigen Behälter mit Wasserstoffgas zwischen die Taschenlampe und das Prisma stellen, ändert sich der Regenbogen! Lücken erscheinen im glatten Kontinuum der Farben - Orte, an denen das Licht buchstäblich verloren geht.
Die dunklen Absorptionslinien eines ruhenden Sterns (links) verschieben sich in Richtung Rot, wenn sich der Stern von der Erde entfernt (rechts). Bildnachweis: Wikipedia
Die Wasserstoffatome sind so eingestellt, dass sie sehr spezifische Lichtfrequenzen absorbieren. Wenn aus vielen Farben bestehendes Licht versucht, durch das Gas zu gelangen, werden diese Frequenzen aus dem Strahl entfernt. Der Regenbogen ist übersät mit dem, was Astronomen nennen Absorptionslinien. Ersetzen Sie den Wasserstoff durch Helium und Sie erhalten ein völlig anderes Muster der Absorptionslinien. Jedes Atom und Molekül hat einen eigenen Absorptionsfinger, mit dem Astronomen die chemische Zusammensetzung ferner Sterne und Galaxien herausfinden können.
Wenn wir das Sternenlicht durch ein Prisma (oder ein ähnliches Gerät) leiten, sehen wir einen Wald von Absorptionslinien aus Wasserstoff, Helium, Natrium usw. Wenn dieser Stern jedoch von uns wegschießt, werden alle diese Absorptionslinien einer Doppler-Verschiebung unterzogen und bewegen sich in Richtung des roten Teils des Regenbogens - ein Vorgang, der als "" bezeichnet wird Rotverschiebung. Wenn sich der Stern umdreht und jetzt auf uns zufliegt, passiert das Gegenteil. Dies nennt man, nicht überraschend, Blueshifting.
Durch Messen, wie weit sich das Linienmuster von der erwarteten Position entfernt, können Astronomen die Geschwindigkeit des Sterns relativ zur Erde genau berechnen! Mit diesem Tool wird die Bewegung des Universums aufgedeckt und eine Vielzahl neuer Fragen können untersucht werden.
Nehmen Sie den Fall, dass die Absorptionslinien eines Sterns regelmäßig zwischen Blueshift und Redshift wechseln. Dies impliziert, dass sich der Stern auf uns zu und von uns weg bewegt - immer und immer und immer wieder. Es sagt uns, dass der Stern im Raum hin und her wackelt. Dies konnte nur passieren, wenn etwas Unsichtbares den Stern herumzog. Indem ein Astronom sorgfältig misst, wie weit sich die Absorptionslinien verschieben, kann er die Masse des unsichtbaren Begleiters und seine Entfernung vom Stern bestimmen. Und so haben Astronomen fast 95% der fast 800 bekannten Planeten gefunden, die andere Sterne umkreisen!
Wenn ein Planet einen Stern umkreist, zieht er den Stern hin und her. Astronomen sehen in der Bewegung des Sterns eine Rot- und Blauverschiebung seines Spektrums. Bildnachweis: ESO
Neben rund 750 anderen Welten führten Rotverschiebungen zu einer der wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. In den 1910er Jahren bemerkten Astronomen am Lowell Observatory und an anderen Orten, dass das Licht von fast jeder Galaxie rot verschoben wurde. Aus irgendeinem Grund rasten die meisten Galaxien im Universum von uns weg! Der amerikanische Astronom Edwin Hubble hat diese Rotverschiebungen 1929 mit Entfernungsschätzungen für diese Galaxien abgeglichen und dabei etwas Bemerkenswertes aufgedeckt: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller geht sie zurück. Hubble war auf eine verblüffende Wahrheit gestoßen: Das Universum dehnte sich gleichmäßig aus! Was als das bekannt wurde kosmologische Rotverschiebung war das erste Stück der Urknalltheorie - und letztendlich eine Beschreibung des Ursprungs unseres Universums.
Edwin Hubble fand eine Korrelation zwischen der Entfernung zu einer Galaxie (horizontale Achse) und der Geschwindigkeit, mit der sie sich von der Erde entfernt (vertikale Achse). Die Bewegung von Galaxien in einem nahe gelegenen Haufen fügt diesem Diagramm etwas Rauschen hinzu. Bildnachweis: William C. Keel (via Wikipedia)
Rotverschiebungen, die subtile Bewegung winziger dunkler Linien im Spektrum eines Sterns, sind ein wesentlicher Bestandteil des Toolkits des Astronomen. Ist es nicht bemerkenswert, dass das Prinzip hinter etwas so Alltäglichem wie der sich ändernden Tonhöhe eines vorbeifahrenden Zughorns unserer Fähigkeit zugrunde liegt, Galaxien zu beobachten, verborgene Welten zu finden und die gesamte Geschichte des Kosmos zusammenzufügen?