Rotverschiebung und Blauverschiebung beschreiben, wie sich Licht zu kürzeren oder längeren Wellenlängen verschiebt, wenn sich Objekte im Weltraum (wie Sterne oder Galaxien) näher oder weiter von uns entfernen. Das Konzept ist der Schlüssel zur Darstellung der Expansion des Universums.
Sichtbares Licht ist ein Spektrum von Farben, was jedem klar ist, der schon einmal einen Regenbogen betrachtet hat. Wenn sich ein Objekt von uns entfernt, wird das Licht zum roten Ende des Spektrums verschoben, da seine Wellenlängen länger werden. Bewegt sich ein Objekt näher, verschiebt sich das Licht zum blauen Ende des Spektrums, da seine Wellenlängen kürzer werden.
Um sich dies besser vorstellen zu können, schlägt die Europäische Weltraumorganisation vor, sich eine Polizeisirene vorzustellen, während das Auto auf der Straße an einem vorbeirauscht.
„Jeder hat schon einmal die erhöhte Tonhöhe einer sich nähernden Polizeisirene gehört und die starke Abnahme der Tonhöhe, wenn die Sirene vorbeifährt und sich zurückzieht. Der Effekt entsteht, weil die Schallwellen am Ohr des Zuhörers näher zusammenkommen, wenn sich die Quelle nähert, und weiter auseinander, wenn sie sich zurückzieht“, schreibt die ESA.
Schall und Licht
Dieser Schalleffekt wurde erstmals von Christian Andreas Doppler in den 1800er Jahren beschrieben und wird als Doppler-Effekt bezeichnet. Da auch Licht in Wellenlängen abgestrahlt wird, bedeutet dies, dass sich die Wellenlängen je nach relativer Position von Objekten dehnen oder zusammenziehen können. Allerdings bemerken wir das im Alltag nicht, weil sich das Licht so viel schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegt – eine Million Mal schneller, so die ESA.
Der amerikanische Astronom Edwin Hubble (nach dem das Hubble-Weltraumteleskop benannt ist) war der erste, der das Phänomen der Rotverschiebung beschrieb und es mit einem expandierenden Universum in Verbindung brachte. Seine Beobachtungen, die 1929 veröffentlicht wurden, zeigten, dass sich fast alle Galaxien, die er beobachtete, wegbewegen, so die NASA.
„Dieses Phänomen wurde als Rotverschiebung des Spektrums einer Galaxie beobachtet“, schrieb die NASA. „Diese Rotverschiebung schien für schwache, vermutlich weiter entfernte, Galaxien größer zu sein. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von der Erde.“
Die Galaxien entfernen sich von der Erde, weil sich das Weltall selbst ausdehnt. Während die Galaxien selbst in Bewegung sind – die Andromeda-Galaxie und die Milchstraße sind zum Beispiel auf Kollisionskurs – gibt es ein übergreifendes Phänomen der Rotverschiebung, wenn das Universum größer wird.
Die Begriffe Rotverschiebung und Blauverschiebung gelten für jeden Teil des elektromagnetischen Spektrums, einschließlich Radiowellen, Infrarot, Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlen. Wenn also Radiowellen in den ultravioletten Teil des Spektrums verschoben werden, spricht man von einer Blauverschiebung, also einer Verschiebung zu höheren Frequenzen. Gammastrahlen, die zu Radiowellen verschoben sind, würden eine Verschiebung zu niedrigeren Frequenzen bedeuten, also eine Rotverschiebung.
Die Rotverschiebung eines Objekts wird gemessen, indem die Absorptions- oder Emissionslinien in seinem Spektrum untersucht werden. Diese Linien sind für jedes Element einzigartig und haben immer den gleichen Abstand. Wenn sich ein Objekt im Weltraum auf uns zu oder von uns weg bewegt, sind die Linien bei anderen Wellenlängen zu finden als dort, wo sie sich befinden würden, wenn sich das Objekt nicht bewegen würde (relativ zu uns).
Die Rotverschiebung ist definiert als die Änderung der Wellenlänge des Lichts geteilt durch die Wellenlänge, die das Licht hätte, wenn sich die Quelle nicht bewegen würde – die sogenannte Ruhewellenlänge:
Drei Arten von Rotverschiebung
Mindestens drei Arten von Rotverschiebung treten im Universum auf – durch die Expansion des Universums, durch die Bewegung von Galaxien relativ zueinander und durch die „Gravitations-Rotverschiebung“, die entsteht, wenn Licht aufgrund der massiven Menge an Materie im Inneren einer Galaxie verschoben wird.
Diese letztere Rotverschiebung ist die subtilste der drei, aber 2011 konnten Wissenschaftler sie auf einer Skala von der Größe des Universums identifizieren. Astronomen führten eine statistische Analyse eines großen Katalogs durch, der als Sloan Digital Sky Survey bekannt ist, und fanden heraus, dass die gravitative Rotverschiebung tatsächlich stattfindet – genau im Einklang mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Diese Arbeit wurde in einem Nature-Paper veröffentlicht.
„Wir haben unabhängige Messungen der Haufenmassen, so dass wir berechnen können, was die Erwartung für die gravitative Rotverschiebung basierend auf der allgemeinen Relativitätstheorie ist“, sagte der Astrophysiker Radek Wojtak von der Universität Kopenhagen damals. „Es stimmt genau mit den Messungen dieses Effekts überein.“
Der erste Nachweis der gravitativen Rotverschiebung erfolgte 1959, nachdem Wissenschaftler sie im Gammastrahlenlicht eines Labors auf der Erde entdeckt hatten. Vor 2011 wurde sie auch in der Sonne und in nahen Weißen Zwergen gefunden, oder den toten Sternen, die übrig bleiben, wenn sonnengroße Sterne spät in ihrem Leben die Kernfusion beenden.
Notable uses of redshift
Rotverschiebung hilft Astronomen, die Entfernungen von weit entfernten Objekten zu vergleichen. Im Jahr 2011 gaben Wissenschaftler bekannt, dass sie das am weitesten entfernte jemals gesehene Objekt gesehen haben – einen Gammastrahlenausbruch namens GRB 090429B, der von einem explodierenden Stern ausging. Damals schätzten die Wissenschaftler, dass die Explosion vor 13,14 Milliarden Jahren stattfand. Zum Vergleich: Der Urknall fand vor 13,8 Milliarden Jahren statt.
Die am weitesten entfernte bekannte Galaxie ist GN-z11. 2016 stellte das Hubble-Weltraumteleskop fest, dass sie nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Die Wissenschaftler maßen die Rotverschiebung von GN-z11, um zu sehen, wie stark ihr Licht von der Expansion des Universums beeinflusst wurde. Die Rotverschiebung von GN-z11 lag bei 11,1, viel höher als die nächsthöhere Rotverschiebung von 8,68, die bei der Galaxie EGSY8p7 gemessen wurde.
Wissenschaftler können die Rotverschiebung nutzen, um zu messen, wie das Universum in großem Maßstab strukturiert ist. Ein Beispiel dafür ist die Hercules-Corona Borealis Great Wall; Licht braucht etwa 10 Milliarden Jahre, um die Struktur zu durchqueren. Die Sloan Digital Sky Survey ist ein laufendes Rotverschiebungsprojekt, das versucht, die Rotverschiebungen von mehreren Millionen Objekten zu messen. Die erste Rotverschiebungsdurchmusterung war der CfA RedShift Survey, der seine erste Datensammlung 1982 abschloss.
Ein neues Forschungsgebiet betrifft die Gewinnung von Rotverschiebungsinformationen aus Gravitationswellen, die Störungen in der Raumzeit sind, die auftreten, wenn ein massiver Körper beschleunigt oder gestört wird. (Einstein deutete 1916 erstmals die Existenz von Gravitationswellen an, und das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) wies sie 2016 erstmals direkt nach). Da Gravitationswellen ein Signal tragen, das ihre rotverschobene Masse anzeigt, erfordert die Extraktion der Rotverschiebung daraus einige Berechnungen und Schätzungen, so ein Artikel aus dem Jahr 2014 in der Fachzeitschrift Physical Review X.
Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde am 7. August 2019 aktualisiert, um eine Korrektur zu berücksichtigen. Radiowellen, die in den ultravioletten Teil des Spektrums verschoben werden, sind blauverschoben, nicht rotverschoben.
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