Redshift en blauwverschuiving beschrijven hoe licht verschuift naar kortere of langere golflengten naarmate objecten in de ruimte (zoals sterren of melkwegstelsels) zich dichter of verder van ons verwijderen. Het concept is essentieel om de uitdijing van het heelal in kaart te brengen.
Zichtbaar licht bestaat uit een spectrum van kleuren, wat duidelijk is voor iedereen die wel eens naar een regenboog heeft gekeken. Als een object zich van ons verwijdert, verschuift het licht naar het rode uiteinde van het spectrum, omdat de golflengtes langer worden. Als een object dichterbij komt, verschuift het licht naar het blauwe uiteinde van het spectrum, omdat de golflengten korter worden.
Om dit beter te begrijpen, stelt het Europees Ruimteagentschap voor dat u luistert naar een politiesirene terwijl de auto u op de weg voorbij raast.
“Iedereen heeft wel eens gehoord hoe een naderende politiesirene steeds harder klinkt en hoe de toon sterk afneemt als de sirene voorbijrijdt en weer wegtrekt. Het effect ontstaat doordat de geluidsgolven bij het oor van de luisteraar dichter bij elkaar aankomen naarmate de bron dichterbij komt, en verder uit elkaar liggen naarmate hij verder weggaat,” 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 golflengtes wordt uitgezonden, betekent dit dat de golflengtes kunnen uitrekken of samenknijpen, afhankelijk van de relatieve positie van voorwerpen. Op dagelijkse schaal merken we dit echter niet, omdat licht zoveel sneller reist dan de geluidssnelheid – een miljoen keer sneller, aldus de ESA.
De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (naar wie de Hubble Space Telescope is genoemd) was de eerste die het roodverschuivingsverschijnsel beschreef en het in verband bracht met een uitdijend heelal. Zijn observaties, onthuld in 1929, toonden aan dat bijna alle sterrenstelsels die hij observeerde zich verwijderen, aldus NASA.
“Dit fenomeen werd waargenomen als een roodverschuiving van het spectrum van een sterrenstelsel,” schreef NASA. “Deze roodverschuiving bleek groter te zijn voor zwakke, vermoedelijk verder weg gelegen, sterrenstelsels. Hoe verder een sterrenstelsel, hoe sneller het zich verwijdert van de aarde.”
De sterrenstelsels verwijderen zich van de aarde omdat het weefsel van de ruimte zelf uitdijt. Terwijl de sterrenstelsels zelf in beweging zijn – het Andromedastelsel en de Melkweg liggen bijvoorbeeld op ramkoers – is er een algemeen verschijnsel van roodverschuiving naarmate het heelal groter wordt.
De termen roodverschuiving en blauwverschuiving gelden voor elk deel van het elektromagnetische spectrum, met inbegrip van radiogolven, infrarood, ultraviolet, röntgenstraling en gammastraling. Dus als radiogolven verschoven zijn naar het ultraviolette deel van het spectrum, wordt gezegd dat ze blauwverschoven zijn, of verschoven zijn naar de hogere frequenties. Gammastralen verschoven naar radiogolven zou een verschuiving naar een lagere frequentie betekenen, of een roodverschuiving.
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 onderlinge afstand. Wanneer een object in de ruimte naar ons toe of van ons af beweegt, kunnen de lijnen op andere golflengten worden aangetroffen dan wanneer het object niet zou bewegen (ten opzichte van ons).
Redshift is 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
In het heelal komen ten minste drie soorten roodverschuiving voor – door de uitdijing van het heelal, door de beweging van sterrenstelsels ten opzichte van elkaar en door “gravitationele roodverschuiving”, die optreedt wanneer licht wordt verschoven als gevolg van de enorme hoeveelheid materie in een sterrenstelsel.
De laatstgenoemde roodverschuiving is de subtielste van de drie, maar in 2011 hebben wetenschappers deze roodverschuiving kunnen vaststellen op een schaal van een heelal. Astronomen deden een statistische analyse van een grote catalogus die bekend staat als de Sloan Digital Sky Survey, en ontdekten dat gravitationele roodverschuiving inderdaad optreedt – precies in lijn met Einsteins algemene relativiteitstheorie. Dit werk werd gepubliceerd in een Nature paper.
“We hebben onafhankelijke metingen van de clustermassa’s, dus we kunnen berekenen wat de verwachting voor gravitationele roodverschuiving op basis van algemene relativiteit is,” zei astrofysicus Radek Wojtak van de Universiteit van Kopenhagen indertijd. “Het komt precies overeen met de metingen van dit effect.”
De eerste detectie van gravitationele roodverschuiving kwam in 1959, nadat wetenschappers het hadden waargenomen in gammastralen die afkomstig waren van een laboratorium op aarde. Tot 2011 werd het ook gevonden in de zon en in nabije witte dwergen, of de dode sterren die overblijven nadat sterren ter grootte van een zon laat in hun leven ophouden met kernfusie.
Notabele toepassingen van roodverschuiving
Roodverschuiving helpt astronomen om de afstanden van verre objecten te vergelijken. In 2011 maakten wetenschappers bekend dat ze het verste object ooit hadden gezien – een gammastraaluitbarsting met de naam GRB 090429B, die afkomstig was 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 verst bekende sterrenstelsel is GN-z11. In 2016 stelde de Hubble Space Telescope vast dat het slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal bestond. Wetenschappers maten de roodverschuiving van GN-z11 om te zien in hoeverre zijn licht was beïnvloed door de uitdijing van het heelal. De roodverschuiving van GN-z11 was 11,1, veel hoger dan de op één na hoogste roodverschuiving van 8,68, gemeten bij sterrenstelsel EGSY8p7.
Wetenschappers kunnen roodverschuiving gebruiken om te meten hoe het heelal op grote schaal is gestructureerd. Een voorbeeld hiervan is de Hercules-Corona Borealis Grote Muur; licht doet er ongeveer 10 miljard jaar over om deze structuur te doorkruisen. De Sloan Digital Sky Survey is een doorlopend roodverschuivingsproject dat de roodverschuiving van enkele miljoenen objecten probeert te meten. Het eerste roodverschuivingsonderzoek was het CfA RedShift Survey, dat in 1982 zijn eerste gegevensverzameling voltooide.
Een opkomend onderzoeksgebied betreft de vraag hoe roodverschuivingsinformatie kan worden ontleend aan gravitatiegolven, dat zijn verstoringen in de ruimtetijd die optreden wanneer een massief lichaam wordt versneld of verstoord. (Einstein suggereerde voor het eerst het bestaan van gravitatiegolven in 1916, en het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detecteerde ze voor het eerst rechtstreeks in 2016). Omdat zwaartekrachtgolven een signaal dragen dat hun roodverschoven massa laat zien, vereist het extraheren van de roodverschuiving daaruit enige berekening en schatting, volgens een artikel uit 2014 in het peer-reviewed tijdschrift Physical Review X.
Opmerking van de redacteur: Dit artikel is op 7 aug. 2019 bijgewerkt naar aanleiding van een correctie. Radiogolven die naar het ultraviolette deel van het spectrum zijn verschoven, zijn blauwverschoven, niet roodverschoven.
Recent nieuws