Redshift i blueshift opisują jak światło przesuwa się w kierunku krótszych lub dłuższych fal, gdy obiekty w przestrzeni (takie jak gwiazdy lub galaktyki) zbliżają się lub oddalają od nas. Koncepcja ta jest kluczem do wykreślenia ekspansji wszechświata.
Światło widzialne jest spektrum kolorów, co jest jasne dla każdego, kto patrzył na tęczę. Kiedy obiekt oddala się od nas, światło jest przesunięte w kierunku czerwonego końca widma, ponieważ jego fale stają się dłuższe. Jeśli obiekt zbliża się do nas, światło przesuwa się w kierunku niebieskiego końca widma, ponieważ jego fale stają się krótsze.
Aby wyobrazić sobie to wyraźniej, Europejska Agencja Kosmiczna sugeruje, wyobraź sobie, że słuchasz syreny policyjnej, gdy samochód pędzi obok Ciebie na drodze.
„Każdy słyszał zwiększoną wysokość dźwięku zbliżającej się syreny policyjnej i gwałtowny spadek wysokości dźwięku, gdy syrena mija i oddala się. Efekt ten powstaje, ponieważ fale dźwiękowe docierają do ucha słuchacza bliżej siebie, gdy źródło się zbliża, i dalej od siebie, gdy się oddala” – napisała ESA.
Dźwięk i światło
Ten efekt dźwiękowy został po raz pierwszy opisany przez Christiana Andreasa Dopplera w 1800 roku i jest nazywany efektem Dopplera. Ponieważ światło również emituje fale, oznacza to, że fale mogą się rozciągać lub marszczyć w zależności od względnej pozycji obiektów. To powiedziawszy, nie zauważamy tego w codziennej skali życia, ponieważ światło podróżuje o wiele szybciej niż prędkość dźwięku – milion razy szybciej, zauważyła ESA.
Amerykański astronom Edwin Hubble (którego imieniem nazwano Kosmiczny Teleskop Hubble’a) był pierwszym, który opisał zjawisko przesunięcia ku czerwieni i powiązał je z rozszerzającym się wszechświatem. Jego obserwacje, ujawnione w 1929 roku, pokazały, że prawie wszystkie galaktyki, które obserwował, oddalają się, NASA said.
„Zjawisko to zostało zaobserwowane jako przesunięcie ku czerwieni widma galaktyki”, napisała NASA. „Ten redshift wydawał się być większy dla słabych, przypuszczalnie dalszych, galaktyk. Stąd, im dalej galaktyka, tym szybciej oddala się od Ziemi.”
Galaktyki oddalają się od Ziemi, ponieważ sama tkanka przestrzeni rozszerza się. Podczas gdy same galaktyki są w ruchu – Galaktyka Andromedy i Droga Mleczna, na przykład, są na kursie kolizyjnym – istnieje ogólne zjawisko przesunięcia ku czerwieni, które ma miejsce, ponieważ wszechświat się powiększa.
Pojęcia przesunięcia ku czerwieni i przesunięcia ku błękitowi odnoszą się do każdej części widma elektromagnetycznego, w tym fal radiowych, podczerwieni, ultrafioletu, promieniowania rentgenowskiego i promieni gamma. Tak więc, jeśli fale radiowe są przesunięte w kierunku ultrafioletowej części widma, mówi się, że są przesunięte w kierunku niebieskim, lub przesunięte w kierunku wyższych częstotliwości. Promienie gamma przesunięte w kierunku fal radiowych oznaczałyby przesunięcie w kierunku niższej częstotliwości, czyli przesunięcie ku czerwieni (ang. redshift).
Przesunięcie ku czerwieni obiektu jest mierzone poprzez badanie linii absorpcji lub emisji w jego widmie. Linie te są unikalne dla każdego elementu i zawsze mają ten sam odstęp. Kiedy obiekt w przestrzeni kosmicznej porusza się w naszą stronę lub z dala od nas, linie te można znaleźć na innych długościach fal niż te, które znajdowałyby się, gdyby obiekt się nie poruszał (względem nas).
Redshift jest definiowany jako zmiana długości fali światła podzielona przez długość fali, którą miałoby światło, gdyby źródło się nie poruszało – zwana długością fali spoczynkowej:
Trzy rodzaje redshiftu
We wszechświecie występują przynajmniej trzy rodzaje redshiftu – z ekspansji wszechświata, z ruchu galaktyk względem siebie oraz z „redshiftu grawitacyjnego”, który występuje, gdy światło jest przesunięte z powodu ogromnej ilości materii wewnątrz galaktyki.
To ostatnie przesunięcie jest najdelikatniejszym z tych trzech zjawisk, ale w 2011 roku naukowcy byli w stanie zidentyfikować je w skali całego wszechświata. Astronomowie przeprowadzili statystyczną analizę dużego katalogu znanego jako Sloan Digital Sky Survey i odkryli, że grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni ma miejsce – dokładnie w zgodzie z ogólną teorią względności Einsteina. Praca ta została opublikowana w artykule Nature.
„Mamy niezależne pomiary mas gromad, więc możemy obliczyć, jakie są oczekiwania dotyczące grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni w oparciu o ogólną teorię względności” – powiedział wtedy astrofizyk z Uniwersytetu Kopenhaskiego, Radek Wojtak. „Zgadza się to dokładnie z pomiarami tego efektu.”
Pierwsze wykrycie grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni nastąpiło w 1959 roku, po tym jak naukowcy wykryli je występujące w promieniowaniu gamma emitowanym z ziemskiego laboratorium. Do 2011 roku, był on również wykrywany na Słońcu i w pobliskich białych karłach, czyli martwych gwiazdach, które pozostają po tym, jak gwiazdy wielkości Słońca zaprzestają fuzji jądrowej pod koniec swojego życia.
Niezwykłe zastosowania redshiftu
Redshift pomaga astronomom porównywać odległości odległych obiektów. W 2011 roku naukowcy ogłosili, że zaobserwowali najdalszy obiekt, jaki kiedykolwiek widziano – wybuch promieniowania gamma o nazwie GRB 090429B, który pochodził od eksplodującej gwiazdy. Naukowcy oszacowali wówczas, że eksplozja miała miejsce 13,14 miliarda lat temu. Dla porównania, Wielki Wybuch miał miejsce 13,8 miliarda lat temu.
Najdalszą znaną galaktyką jest GN-z11. W 2016 roku Kosmiczny Teleskop Hubble’a ustalił, że istniała ona zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Naukowcy zmierzyli redshift GN-z11, aby sprawdzić, jak bardzo jej światło zostało dotknięte przez ekspansję wszechświata. Przesunięcie ku czerwieni GN-z11 wyniosło 11,1 i było znacznie wyższe niż następne w kolejności przesunięcie o 8,68 zmierzone dla galaktyki EGSY8p7.
Naukowcy mogą wykorzystać przesunięcie ku czerwieni do pomiaru struktury wszechświata w dużej skali. Jednym z przykładów jest Wielki Mur Herkulesa-Corona Borealis; światło potrzebuje około 10 miliardów lat, aby przejść przez tę strukturę. Sloan Digital Sky Survey to trwający projekt pomiaru przesunięć ku czerwieni, który próbuje zmierzyć przesunięcia ku czerwieni kilku milionów obiektów. Pierwszym badaniem przesunięć ku czerwieni było CfA RedShift Survey, które zakończyło zbieranie pierwszych danych w 1982 roku.
Jeden z rozwijających się obszarów badań dotyczy tego, jak wydobyć informacje o przesunięciach ku czerwieni z fal grawitacyjnych, które są zaburzeniami czasoprzestrzeni występującymi, gdy masywne ciało jest przyspieszane lub zakłócane. (Einstein po raz pierwszy zasugerował istnienie fal grawitacyjnych w 1916 roku, a Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) po raz pierwszy wykrył je bezpośrednio w 2016 roku). Ponieważ fale grawitacyjne niosą sygnał, który pokazuje ich przesuniętą masę, wyodrębnienie przesunięcia ku czerwieni z tego wymaga pewnych obliczeń i szacunków, zgodnie z artykułem z 2014 r. w recenzowanym czasopiśmie Physical Review X.
Uwaga redaktora: Ten artykuł został zaktualizowany 7 sierpnia 2019 r., aby odzwierciedlić poprawkę. Fale radiowe przesunięte w ultrafioletową część widma są przesunięte w kierunku niebieskim, a nie w kierunku czerwonym.
Ostatnie wiadomości