Rödförskjutning

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
Spektrum från samma källa, med respektive utan rödförskjutning (väte-linjer).
Ljuset från en grön lampa som rör sig med hastighet 0,7 c till höger har olika våglängder i olika riktningar (färger inte helt korrekta).

Rödförskjutning är ett fysikaliskt fenomen som innebär att elektromagnetisk strålning (oftast tänker man på synligt ljus) har en färg som är mer åt det röda hållet när den detekteras än den hade när den lämnade det föremål som den kommer från. Mer allmänt uttryckt är rödförskjutning en ökning av våglängden för elektromagnetisk strålning. Man kan också uttrycka samma sak som att strålningens frekvens minskar. I vissa fall förekommer också det motsatta fenomenet, blåförskjutning.

Ökning av våglängd hos elektromagnetisk strålning kallas rödförskjutning även om strålningen inte hör till det synliga spektret. Det kan till exempel också handla om röntgenstrålning, gammastrålning eller ultraviolett strålning. Termen blir lite motsägelsefull när den används om strålning som har större våglängd än rött ljus, till exempel infrarött ljus eller mikrovågor. För denna typ av strålning innebär rödförskjutning att våglängden kommer att skilja sig mer från våglängden för rött ljus.

Rödförskjutning kan förekomma när en ljuskälla rör sig bort från observatören (detektorn). Detta är matematiskt samma effekt som dopplereffekten för ljud. Astrofysiker använder den rödförskjutning som uppstår på grund av himlakropparnas relativa rörelser för att mäta rörelsens hastighet, med användning av spektroskopi. Denna rödförskjutning är endast märkbar i extremt höga hastigheter, och det är framför allt inom astronomi och rymdfart som fenomenet får konsekvenser för människan. Dopplereffekten för elektromagnetisk strålning har också kommit till användning på jorden, till exempel i dopplerradar.

En annan mekanism som åstadkommer rödförskjutning är universums allmänna expansion enligt modern kosmologi. Detta är förklaringen till observationen att rödförskjutningen i ljuset från avlägsna galaxer, kvasarer och intergalaktiska gasmoln är proportionell mot avståndet från observatören (jorden). Detta är ett nyckelfenomen i Big bang-teorin.

En tredje typ av rödförskjutning uppkommer på grund av tidsdilationen i närheten av föremål med massa.

Motsatsen till rödförskjutning är blåförskjutning: när ett föremål närmar sig observatören blir den skenbara frekvensen högre, och ljuset förskjuts mot den högfrekventa, blå delen av spektrum.

Mätning, karaktärisering och tolkning[redigera | redigera wikitext]

Rödförskjutning kan mätas genom att titta på spektrum hos ljus som kommer från en ensam källa (se bild). Om detta spektrum innehåller drag av absorptionslinjer, emissionslinjer eller andra variationer i ljustets intensitet, så kan en förskjutning i princip beräknas. Till detta behövs ett ostört likartat känt spektrum som jämförelse, exempelvis av något vanligt förekommande grundämne. Inom astronomi används vanligen grundämnet väte (se bild överst), eftersom detta ämne är så vanligt i universum och finns i så överlägset stor mängd jämfört med alla andra ämnen. Karaktäristiska intervallmönster kan då identifieras och en förskjutning i våglängd eller frekvens bestämmas för objektet. Avlägsna objekt ger stora förskjutningar och kräver därför kännedom om större våglängdsområden. Odefinierbara strukturer och vitt brus kan försvåra eller omöjliggöra bestämningen som exempelvis enligt ett pressmeddelande från maj 2004 om NASA:s Swift Gamma-Ray Burst Mission, rymdteleskop i gammastrålningsområdet. Observation av efterglöden i det optiska området har likväl givit spektra som möjliggjort en uppmätning av rödförskjutningen.

Röd-och blåförskjutning definieras av den relativa skillnaden i observerad och avgiven våglängd eller frekvens hos ett objekt. Inom astronomin brukar man referera denna förändring till en dimensionslös kvantitet kallad z. Om λ står för våglängden och f representerar frekvensen ( λf = c där c är ljushastigheten), så är z definierad av ekvationerna:

Mätning av rödförskjutningen z
Baserad på våglängd Baserad på frekvens
z = \frac{\lambda_{\mathrm{observerad}} - \lambda_{\mathrm{emitterad}}}{\lambda_{\mathrm{emitterad}}} z = \frac{f_{\mathrm{emitterad}} - f_{\mathrm{observerad}}}{f_{\mathrm{observerad}}}
1+z = \frac{\lambda_{\mathrm{observerad}}}{\lambda_{\mathrm{emitterad}}} 1+z = \frac{f_{\mathrm{emitterad}}}{f_{\mathrm{observerad}}}

Distinktionen mellan röd-och blåförskjutning bestäms enkelt av om det beräknade z är positivt eller negativt. Tecknet avgör åt vilket håll objektet rör sig.

Mekanismer[redigera | redigera wikitext]

I grunden beror rödförskjutningen på att fotonernas energi kan variera mellan olika referensramar. En ensam foton som rör sig genom ett vakuum kan rödförskjutas på flera olika sätt. Att var och en av dessa mekanismer ger en dopplerliknande rödförskjutning betyder att z är oberoende av våglängden. Mekanismerna beskrivs av Galilei-, Lorentz- eller relativistiska transformationer mellan de olika referensramarna.

Rödförskjutningsöversikt
Rödförskjutningstyp Transformationsram Metrik Definition där z = rödförskjutning; v = hastighet; c = ljushastigheten; γ = Lorentzfaktorn; a = skalfaktor; G = gravitationskonstant; M = objektets massa; r = radiell Schwarzschildkoordinat
Dopplerförskjutning Galileitransformation Euklidisk metrik z \approx \frac{v}{c} (Då \gamma \approx 1)
Relativistisk Doppler Lorentztransformation Minkowskimetrik z = \left(1 + \frac{v}{c}\right) \gamma - 1
Kosmologisk rödförskjutning Allmän relativistisk transformation FLRW metrik z = \frac{a_{\mathrm{nu}}}{a_{\mathrm{senare}}} - 1
Gravitationell rödförskjutning Allmän relativistisk transformation Schwarzschildmetrik z=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{2GM}{rc^2}\right)}}-1

Blåskiftad dopplereffekt (z < 0), när objektet rör sig närmare observatören betyder att ljuset skiftar mot högre energi. Vid rödförskjutning (z > 0), när objektet avlägsnar sig från observatören, så har ljuset skiftat mot lägre energi. För Einsteineffekten gäller att blåförskjutning hänger ihop med att ljuset har trängt in i ett starkt gravitationsfält, medan rödskiftad Einsteineffekt tyder på att ljuset lämnar fältet. Den kosmologiska rödförskjutningen är ingen dopplereffekt, utan hänger samman med universums konstaterade expansion.[källa behövs] Den gängse bilden är att det inte är galaxerna som avlägsnar sig från varandra, utan rummet emellan dem som tänjer ut sig.

Se även[redigera | redigera wikitext]