Meer informatie over het Doppler-effect

Astronomen bestuderen het licht van verre objecten om ze te begrijpen. Licht beweegt door de ruimte met 299.000 kilometer per seconde, en zijn pad kan worden afgebogen door de zwaartekracht en worden geabsorbeerd en verstrooid door materiaalwolken in het universum. Astronomen gebruiken veel eigenschappen van licht om alles te bestuderen, van planeten en hun manen tot de meest verre objecten in de kosmos. 

Duiken in het Doppler-effect

Een tool die ze gebruiken is het Doppler-effect. Dit is een verschuiving in de frequentie of golflengte van straling die wordt uitgestraald door een object terwijl het door de ruimte beweegt. Het is vernoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Christian Doppler die het voor het eerst in 1842 heeft voorgesteld. 

Hoe werkt het Doppler-effect? Als de stralingsbron, bijvoorbeeld een ster, op weg is naar een astronoom op aarde (bijvoorbeeld), dan zal de golflengte van zijn straling korter lijken (hogere frequentie en dus hogere energie). Aan de andere kant, als het object van de waarnemer weg beweegt, zal de golflengte langer lijken (lagere frequentie en lagere energie). Je hebt waarschijnlijk een versie van het effect ervaren toen je een treinfluit of een politiesirene hoorde terwijl het langs je heen bewoog, van toonhoogte veranderde terwijl het langs je passeert en weggaat.

Het Doppler-effect zit achter dergelijke technologieën als politieradar, waarbij het "radarkanon" licht van een bekende golflengte uitzendt. Dan stuitert dat radar "licht" van een rijdende auto en reist terug naar het instrument. De resulterende golflengteverschuiving wordt gebruikt om de snelheid van het voertuig te berekenen. (Opmerking: het is eigenlijk een dubbele shift, omdat de rijdende auto eerst als waarnemer fungeert en een shift ervaart, en vervolgens als een bewegende bron die het licht terug naar kantoor stuurt, waardoor de golflengte een tweede keer wordt verschoven.)

Redshift

Wanneer een object zich terugtrekt (d.w.z. weg beweegt) van een waarnemer, zullen de pieken van de straling die worden uitgezonden verder van elkaar verwijderd zijn dan wanneer het bronobject stationair zou zijn. Het resultaat is dat de resulterende golflengte van licht langer lijkt. Astronomen zeggen dat het "naar het rode" einde van het spectrum is verschoven.

Hetzelfde effect is van toepassing op alle banden van het elektromagnetische spectrum, zoals radio, röntgenstralen of gammastralen. Optische metingen zijn echter de meest voorkomende en zijn de bron van de term "roodverschuiving". Hoe sneller de bron van de waarnemer weggaat, hoe groter de roodverschuiving. Vanuit energetisch oogpunt komen langere golflengten overeen met straling met lagere energie.

Blueshift

Omgekeerd, wanneer een stralingsbron een waarnemer nadert, lijken de golflengten van het licht dichter bij elkaar, waardoor de golflengte van het licht effectief wordt verkort. (Nogmaals, kortere golflengte betekent hogere frequentie en dus hogere energie.) Spectroscopisch lijken de emissielijnen verschoven naar de blauwe kant van het optische spectrum, vandaar de naam blueshift.

Net als bij roodverschuiving is het effect van toepassing op andere banden van het elektromagnetische spectrum, maar het effect wordt meestal besproken in de omgang met optisch licht, hoewel dit in sommige gebieden van de astronomie zeker niet het geval is.

Uitbreiding van het universum en de Doppler-verschuiving

Het gebruik van de Doppler-verschuiving heeft geresulteerd in enkele belangrijke ontdekkingen in de astronomie. In de vroege jaren 1900 geloofde men dat het universum statisch was. In feite heeft dit Albert Einstein ertoe gebracht de kosmologische constante toe te voegen aan zijn beroemde veldvergelijking om de expansie (of contractie) die door zijn berekening werd voorspeld, te "annuleren". In het bijzonder werd ooit geloofd dat de "rand" van de Melkweg de grens van het statische universum vertegenwoordigde.

Toen ontdekte Edwin Hubble dat de zogenaamde "spiraalvormige nevels" die al tientallen jaren astronomie hadden geteisterd, niet nevels helemaal. Het waren eigenlijk andere sterrenstelsels. Het was een verbazingwekkende ontdekking en vertelde astronomen dat het universum veel groter is dan ze wisten.

Hubble ging vervolgens verder met het meten van de Doppler-verschuiving, waarbij hij specifiek de roodverschuiving van deze sterrenstelsels vond. Hij ontdekte dat hoe verder weg een sterrenstelsel is, hoe sneller het achteruitgaat. Dit leidde tot de inmiddels beroemde wet van Hubble, die zegt dat de afstand van een object evenredig is aan de snelheid van de recessie.

Deze openbaring bracht Einstein ertoe dat te schrijven zijn toevoeging van de kosmologische constante aan de veldvergelijking was de grootste blunder in zijn carrière. Interessant is echter dat sommige onderzoekers nu de constante plaatsen terug in algemene relativiteitstheorie.

Het blijkt dat de wet van Hubble tot op zekere hoogte waar is, omdat onderzoek van de afgelopen decennia heeft uitgewezen dat verre sterrenstelsels sneller achteruitgaan dan voorspeld. Dit houdt in dat de expansie van het universum versnelt. De reden daarvoor is een mysterie en wetenschappers hebben de drijvende kracht van deze versnelling nagesynchroniseerd donkere energie. Ze verklaren het in de Einstein-veldvergelijking als een kosmologische constante (hoewel het een andere vorm heeft dan de formulering van Einstein).

Andere toepassingen in de astronomie

Naast het meten van de uitbreiding van het universum, kan het Doppler-effect worden gebruikt om de beweging van dingen veel dichter bij huis te modelleren; namelijk de dynamiek van de Melkweg.