Wat zijn roodverschuiving en blauwverschuiving?  Hoe astronomen de afstand van verre objecten leren

Wat zijn roodverschuiving en blauwverschuiving? Hoe astronomen de afstand van verre objecten leren

Wanneer astronomen staren in het diepe universum of naar de spectra van een verre ster die subtiel een exoplaneet verbergt, moeten ze rekenschap geven van zijn beweging. Dat berust op twee fenomenen: roodverschuiving en blauwverschuiving.

Naarmate objecten van ons weg bewegen, wordt hun licht verschoven naar langere golflengten of het rode uiteinde van het spectrum – dat is roodverschuiving. Blauwverschuiving is het tegenovergestelde, wanneer licht wordt verschoven naar kortere golflengten aan de blauwe kant van het spectrum wanneer een object op ons afkomt. Deze geven essentiële aanwijzingen over zaken als afstand – en wanneer je naar een ver sterrenstelsel staart, laat het je weten hoe dichtbij je bent om terug te staren naar het begin der tijden. Dit is belangrijk voor telescopen zoals de James Webb Space Telescope, die de belanghebbenden hebben belast met het leren over de vroegste sterrenstelsels in het jonge universum.

Voor meer informatie over roodverschuiving en blauwverschuiving, Inverse sprak met Salvatore Vitale, een assistent-professor natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology. Vitale doet data-analyse van zwaartekrachtsgolven (rimpelingen in de ruimte-tijd) die in kaart zijn gebracht door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) na grote gebeurtenissen zoals het samensmelten van zwarte gaten. Natuurkundigen van LIGO werken samen met astrofysici om de afstand tot de zwaartekrachtsgolven die ze meten in kaart te brengen met behulp van roodverschuiving en blauwverschuiving – en vertrouwen op meerdere paden om de samensmelting van enkele van de meest krachtige krachten in het universum te begrijpen.

Deze NASA-visualisatie laat zien hoe iets geleidelijk rood wordt als het zich van de aarde verwijdert. NASA

Blauwverschuiving en roodverschuiving begrijpen

Terwijl roodverschuiving en blauwverschuiving esoterisch klinken, zei Vitale dat we het in het dagelijks leven ervaren met de sirenes op ambulances en politieauto’s. Geluid en licht hebben golven die ermee geassocieerd zijn, dus de analogie werkt: “Geluid heeft een andere afstand om te reizen wanneer de auto naar je toe komt, in plaats van van je af”, vertelt Vitale. Inverse.

Naarmate de sirene nadert, neemt het geluid in frequentie toe en naarmate het zich terugtrekt, neemt het geluid af in frequentie. Dit is in de volksmond beter bekend als het Doppler-effect, wat het schijnbare verschil is tussen de frequentie van golven die een waarnemer ervaart ten opzichte van de bron van de golven. Het verschil in beweging tussen de waarnemer en de bron van de golven creëert dit effect.

Toen hij objecten in zichtbaar licht bekeek, voegde hij eraan toe: “Het universum is aardig voor ons geweest.” Atomen hebben altijd karakteristieke frequenties, waardoor we (bijvoorbeeld) precies kunnen zeggen welke frequentie de waterstof in sterren in een laboratorium moet hebben. Dus als waterstof waargenomen in een stersysteem een ​​lagere frequentie heeft, beweegt het stersysteem weg en vice versa.

Roodverschuiving en de uitdijing van het heelal

Meestal wordt roodverschuiving besproken als we het hebben over de uitdijing van het heelal. Een gebeurtenis van 13,8 miljard jaar geleden, de oerknal genaamd, veroorzaakte de snelle inflatie en uitbreiding van de ruimtetijd. Astronomen zien nog steeds de echo’s van die oerknal, aangezien objecten in het universum zich allemaal van elkaar terugtrekken en dus een zekere mate van roodverschuiving ervaren.

De objecten die het verst verwijderd zijn, hebben de hoogste roodverschuiving. We weten dat het heelal versnelt dankzij het meten van de roodverschuiving van een bepaald type sterexplosie (supernova’s), Ias genaamd. Astronomen hebben dit soort supernova’s de bijnaam “standaardkaarsen” gegeven omdat ze een constante helderheid hebben. Omdat we de inherente helderheid van deze supernova’s kennen, kunnen we hun helderheid in samenhang met de afstand in kaart brengen.

De verrassing kwam in 1998, toen astronomen aankondigden dat supernova’s veel sneller achteruitgingen dan verwacht. Voordien gingen astronomen ervan uit dat het heelal met een constante snelheid uitdijde. Dit leidde tot het besef dat het heelal versnelt terwijl het uitdijt, gebaseerd op twee onafhankelijke studies van supernova’s waarbij de Hubble-ruimtetelescoop en vele andere observatoria betrokken waren om er zeker van te zijn dat ze de dingen correct zagen.

Waarom het universum steeds sneller gaat, is onderwerp van discussie, maar de leidende hypothese is een theoretische kracht die ‘donkere energie’ wordt genoemd. Astronomen noemden de energie “donker” omdat we het niet kunnen waarnemen met onze conventionele telescopische instrumenten die naar golfvormen van licht kijken. Maar we kunnen het effect van de energie meten, omdat we kunnen zien dat de uitdijing van het universum versnelt.

Hoewel we niet kunnen vaststellen waarom de versnelling plaatsvindt, leverde de ontdekking van dit fenomeen de ontdekkingsteams in 2011 een Nobelprijs op.

Terwijl de James Webb-ruimtetelescoop zich voorbereidt op het eerste licht, zijn astronomen vooral enthousiast om zijn infraroodcapaciteiten te gebruiken om terug te kijken naar het vroege universum op objecten met een hoge roodverschuiving, die zullen zijn ontstaan ​​​​kort na een periode die het tijdperk van de reionisatie wordt genoemd – waar de eerste sterrenstelsels gaven het heelal een transparante glans.

HD1 is een kandidaat-melkwegstelsel dat misschien wel het verste sterrenstelsel is dat we ooit hebben gezien – een overblijfsel van het vroege heelal. Harikane et al.

LIGO en roodverschuiving

LIGO is een reeks telescopen ter grootte van een planeet die enorme gebeurtenissen in de ruimte-tijd in kaart brengen en die ook afhankelijk zijn van roodverschuivingsmetingen. In oktober 2017 maakten astronomen de eerste bevestigde detectie van zwaartekrachtsgolven. Ze zagen het effect van twee neerstortende neutronensterren – of de dichte, stadsgrote overblijfselen van sterren die overblijven na supernova-explosies.

Hoewel het zwaartekrachtsgolfaspect van de eerste ontdekking de meeste aandacht krijgt, is het ook belangrijk voor astronomen dat ze deze gebeurtenis in zichtbare lichtgolven in kaart hebben gebracht, legt Vitale uit. Voor dezelfde gebeurtenis zei hij: “je kunt het licht van de bron gebruiken om de roodverschuiving te krijgen, en je kunt de zwaartekrachtsgolven van de bron gebruiken om de afstand te bepalen.” Met andere woorden, voor deze gebeurtenis en andere zwaartekrachtsgolven moeten we roodverschuiving gebruiken om de afstand te begrijpen.

Hoe meten we die afstand? Het dateert uit de vergelijkingen van Albert Einstein uit 1916, toen zijn algemene relativiteitstheorie besprak hoe massieve objecten zoals deze neutronensterbotsingen het weefsel van ruimte-tijd konden vervormen. Dankzij supercomputers in de jaren negentig konden onderzoekers deze vervormingen eindelijk nauwkeurig in kaart brengen. Astronomen waren in staat om de veldvergelijkingen te modelleren die Einstein voorspelde.

Tegenwoordig is het gebruikelijk dat wetenschappers van zwaartekrachtgolven verschillende soorten fusies (zoals tussen neutronensterren of tussen zwarte gaten) op verschillende afstanden modelleren. Wanneer deze gebeurtenissen vervolgens in de echte wereld worden gezien, hebben ze “golfvormen” of modelgolflengten die ze kunnen gebruiken om wat ze zien te matchen met de voorspelde afstand. Dat is in 2017 met succes gebeurd.

Door afstand en roodverschuiving samen kunnen de astronomen de uitdijing van het universum meten, wat de diepere reden is waarom die zwaartekrachtgolf zo betekenisvol was dat de teams een Nobelprijs ontvingen voor hun werk.

Leave a Reply

Your email address will not be published.