Μάθετε για το Doppler Effect

Οι αστρονόμοι μελετούν το φως από μακρινά αντικείμενα για να τα καταλάβουν. Το φως μετακινείται διαμέσου του χώρου στα 299.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και το μονοπάτι μπορεί να αποκλίνει από τη βαρύτητα καθώς και να απορροφάται και να διασκορπίζεται από σύννεφα υλικού στο σύμπαν. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν πολλές ιδιότητες του φωτός για να μελετήσουν τα πάντα από τους πλανήτες και τα φεγγάρια τους στα πιο μακρινά αντικείμενα του Κόσμου.

Ένα εργαλείο που χρησιμοποιούν είναι το φαινόμενο Doppler. Αυτή είναι μια μετατόπιση της συχνότητας ή του μήκους κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο καθώς μετακινείται διαμέσου του χώρου. Ονομάστηκε από τον αυστριακό φυσικό Christian Doppler που το πρότεινε για πρώτη φορά το 1842.

Πώς λειτουργεί το Doppler Effect; Εάν η πηγή της ακτινοβολίας, ας πούμε αστέρι, κινείται προς έναν αστρονόμο στη Γη (για παράδειγμα), τότε το μήκος κύματος της ακτινοβολίας του θα εμφανιστεί μικρότερο (υψηλότερη συχνότητα και επομένως υψηλότερη ενέργεια). Από την άλλη πλευρά, αν το αντικείμενο απομακρυνθεί από τον παρατηρητή τότε το μήκος κύματος θα εμφανιστεί περισσότερο (χαμηλότερη συχνότητα και χαμηλότερη ενέργεια). Πιθανότατα έχετε δοκιμάσει μια εκδοχή του αποτελέσματος όταν ακούσατε ένα σφύριγμα τρένων ή μια σειρήνα της αστυνομίας καθώς κινήθηκε πέρα ​​από σας, αλλάζοντας το βήμα καθώς περνάει από σας και απομακρύνεται.

Το φαινόμενο Doppler βρίσκεται πίσω από τεχνολογίες όπως το ραντάρ της αστυνομίας, όπου το "όπλο ραντάρ" εκπέμπει φως ενός γνωστού μήκους κύματος. Στη συνέχεια, αυτό το ραντάρ "φως" αναπηδά από ένα κινούμενο αυτοκίνητο και ταξιδεύει πίσω στο όργανο. Η προκύπτουσα μετατόπιση του μήκους κύματος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ταχύτητας του οχήματος. (Σημείωση: είναι στην πραγματικότητα μια διπλή βάρδια καθώς το κινούμενο αυτοκίνητο λειτουργεί ως παρατηρητής και βιώνει μια στροφή, στη συνέχεια ως μια κινούμενη πηγή που στέλνει το φως πίσω στο γραφείο, μεταβάλλοντας έτσι το μήκος κύματος ένα δευτερόλεπτο χρόνος.)

Όταν ένα αντικείμενο υποχωρεί (δηλαδή απομακρύνεται) από έναν παρατηρητή, οι αιχμές της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας θα απέχουν πολύ περισσότερο από ό, τι θα ήταν εάν το αντικείμενο προέλευσης ήταν ακίνητο. Το αποτέλεσμα είναι ότι το μήκος κύματος του φωτός που προκύπτει φαίνεται μεγαλύτερο. Οι αστρονόμοι λένε ότι μετατοπίζεται στο κόκκινο τέλος του φάσματος.

Το ίδιο αποτέλεσμα ισχύει για όλες τις ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, όπως π.χ. ραδιόφωνο, ακτινογραφία ή γ-ακτίνες. Ωστόσο, οι οπτικές μετρήσεις είναι οι πιο συχνές και είναι η πηγή του όρου "redshift". Όσο πιο γρήγορα η πηγή απομακρύνεται από τον παρατηρητή, τόσο μεγαλύτερη είναι η redshift. Από την άποψη της ενέργειας, τα μεγαλύτερα μήκη κύματος αντιστοιχούν σε χαμηλότερη ενεργειακή ακτινοβολία.

Αντίθετα, όταν μια πηγή ακτινοβολίας προσεγγίζει έναν παρατηρητή, τα μήκη κύματος του φωτός φαίνονται πιο κοντά, μειώνοντας ουσιαστικά το μήκος κύματος του φωτός. (Και πάλι, μικρότερο μήκος κύματος σημαίνει υψηλότερη συχνότητα και επομένως υψηλότερη ενέργεια.) Φασματοσκοπικά, οι γραμμές εκπομπής θα εμφανιστούν μετατοπισμένες προς την μπλε πλευρά του οπτικού φάσματος, εξ ου και το όνομα blueshift.

Όπως και με την redshift, το αποτέλεσμα ισχύει και για άλλες ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, αλλά το αποτέλεσμα είναι το μεγαλύτερο συχνά συζητούνται όταν ασχολούμαστε με το οπτικό φως, αν και σε ορισμένους τομείς της αστρονομίας αυτό σίγουρα δεν είναι το υπόθεση.

Η χρήση του Doppler Shift έχει οδηγήσει σε μερικές σημαντικές ανακαλύψεις στην αστρονομία. Στις αρχές της δεκαετίας του 1900, θεωρήθηκε ότι το σύμπαν ήταν στατική. Στην πραγματικότητα, αυτό οδήγησε Albert Einstein να προσθέσουμε την κοσμολογική σταθερά στη γνωστή εξίσωση του πεδίου για να "ακυρώσουμε" την επέκταση (ή συστολή) που προέβλεπε ο υπολογισμός του. Συγκεκριμένα, κάποτε πιστευόταν ότι η "άκρη" του Γαλαξίας αντιπροσωπεύει το όριο του στατικού σύμπαντος.

Επειτα, Ο Edwin Hubble διαπίστωσαν ότι τα λεγόμενα "σπειροειδή νεφελώματα" που είχαν μολύνει την αστρονομία εδώ και δεκαετίες ήταν δεν τα νεφελώματα καθόλου. Ήταν άλλοι γαλαξίες. Ήταν μια εκπληκτική ανακάλυψη και είπε στους αστρονόμους ότι το σύμπαν είναι πολύ μεγαλύτερο από ό, τι γνώριζαν.

Το Hubble προχώρησε έπειτα στη μέτρηση της μετατόπισης του Doppler, εντοπίζοντας συγκεκριμένα την κόκκινη μετατόπιση αυτών των γαλαξιών. Διαπίστωσε ότι όσο πιο μακριά είναι ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα υποχωρεί. Αυτό οδήγησε στο πλέον διάσημο Νόμος του Hubble, που λέει ότι η απόσταση ενός αντικειμένου είναι ανάλογη της ταχύτητας ύφεσης του.

Αυτή η αποκάλυψη οδήγησε τον Αϊνστάιν να γράψει αυτό του η προσθήκη της κοσμολογικής σταθεράς στην εξίσωση του πεδίου ήταν η μεγαλύτερη σφάλμα της καριέρας του. Είναι ενδιαφέρον, ωστόσο, ότι ορισμένοι ερευνητές τοποθετούν τώρα τη σταθερά πίσω σε γενική σχετικότητα.

Όπως αποδεικνύεται, ο νόμος του Χάσμπλ είναι αληθινός μόνο μέχρι στιγμής, αφού η έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες το έχει βρει μακρινούς γαλαξίες υποχωρούν ταχύτερα από ό, τι προβλεπόταν. Αυτό σημαίνει ότι η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται. Ο λόγος για αυτό είναι ένα μυστήριο, και οι επιστήμονες έχουν αποκαλύψει την κινητήρια δύναμη αυτής της επιτάχυνσης σκοτεινή ενέργεια. Αντιμετωπίζουν αυτό στην εξίσωση πεδίου Einstein ως μια κοσμολογική σταθερά (αν και είναι διαφορετικής μορφής από τη διατύπωση του Αϊνστάιν).

Εκτός από τη μέτρηση της επέκτασης του σύμπαντος, το φαινόμενο Doppler μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μοντελοποιήσει την κίνηση των πραγμάτων πολύ πιο κοντά στο σπίτι. δηλαδή τη δυναμική του Γαλαξίας Γαλαξίας.

Μετρώντας την απόσταση από τα αστέρια και την redshift ή blueshift τους, οι αστρονόμοι είναι σε θέση να χαρτογραφήσουν το κίνηση του γαλαξία μας και να πάρετε μια εικόνα του τι μπορεί να μοιάζει ο γαλαξίας μας με έναν παρατηρητή από όλη την σύμπαν.

Το Doppler Effect επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να μετρήσουν τις παλμοί των μεταβλητών αστεριών, καθώς και κινήσεις σωματιδίων που ταξιδεύουν με απίστευτες ταχύτητες μέσα στα ρεύματα σχετικιστικής εκτόξευσης από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Επεξεργάστηκε και ενημερώθηκε από Carolyn Collins Petersen.