Rödförskjutning

Rödförskjutning är ett fysikaliskt fenomen där elektromagnetisk strålning ökar i våglängd och således minskar i frekvens, allteftersom strålningen färdas från strålningskällan, vilket för synligt ljus innebär en förskjutning mot rött. Det motsatta fenomenet, blåförskjutning, uppstår när strålningskällan färdas mot observatören.

En ökning av våglängden hos elektromagnetisk strålning kallas rödförskjutning även om strålningen inte tillhör det synliga spektrat, vilket till exempel är fallet med kortvågig strålning såsom röntgenstrålning, gammastrålning och ultraviolett strålning och för strålning som har större våglängd än rött ljus, till exempel infrarött ljus och mikrovågor.

Rödförskjutning uppkommer när en ljuskälla rör sig bort från observatören (detektorn), vilket ur matematisk synpunkt är ekvivalent med 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 vid 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, vilket är förklaringen till observationen att rödförskjutningen av ljuset från avlägsna galaxer, kvasarer och intergalaktiska gasmoln är proportionell mot avståndet från observatören (jorden). Detta är ett nyckelfenomen inom Big bang-teorin.

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

Mätning, karaktärisering och tolkning

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

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