Узнайте об эффекте Доплера

Астрономы изучают свет от отдаленных объектов, чтобы понять их. Свет движется в пространстве со скоростью 299 000 километров в секунду, и его путь может отклоняться под действием силы тяжести, а также поглощаться и рассеиваться облаками материала во вселенной. Астрономы используют множество свойств света для изучения всего, от планет и их спутников до самых отдаленных объектов в космосе.

Одним из инструментов, которые они используют, является эффект Доплера. Это сдвиг частоты или длины волны излучения, излучаемого объектом при его движении в пространстве. Он назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который впервые предложил его в 1842 году.

Как работает эффект Доплера? Если источник излучения, скажем, звезда, движется к астроному на Земле (например), тогда длина волны его излучения будет казаться короче (более высокая частота и, следовательно, более высокая энергия). С другой стороны, если объект удаляется от наблюдателя, длина волны будет казаться больше (более низкая частота и более низкая энергия). Вы, вероятно, испытали версию эффекта, когда услышали свист поезда или полицейскую сирену, когда они проходили мимо вас, меняя высоту тона, когда он проходил мимо вас и удалялся.

Эффект Доплера стоит за такими технологиями, как полицейский радар, где «радарная пушка» излучает свет известной длины волны. Затем этот радарный «свет» отражается от движущейся машины и возвращается к инструменту. Результирующий сдвиг длины волны используется для расчета скорости транспортного средства. (Примечание: на самом деле это двойная смена, так как движущаяся машина сначала действует как наблюдатель и испытывает сдвиг, затем в качестве движущегося источника, посылающего свет обратно в офис, смещая таким образом длину волны в секунду время.)

Когда объект удаляется (то есть удаляется) от наблюдателя, пики излучаемого излучения будут разнесены дальше, чем они были бы, если бы исходный объект был неподвижным. В результате получаем, что длина волны света выглядит больше. Астрономы говорят, что он «смещен к красному» концу спектра.

Тот же эффект применяется ко всем полосам электромагнитного спектра, таким как радио, Рентгеновский или гамма излучение. Тем не менее, оптические измерения являются наиболее распространенными и являются источником термина «красное смещение». Чем быстрее источник удаляется от наблюдателя, тем больше красное смещение. С энергетической точки зрения, более длинные волны соответствуют излучению с более низкой энергией.

И наоборот, когда источник излучения приближается к наблюдателю, длины волн света оказываются ближе друг к другу, эффективно сокращая длину волны света. (Опять же, более короткая длина волны означает более высокую частоту и, следовательно, более высокую энергию.) Спектроскопически линии излучения выглядят смещенными в сторону синей стороны оптического спектра, отсюда и название синее смещение.

Как и в случае красного смещения, эффект применим к другим полосам электромагнитного спектра, но этот эффект наиболее часто обсуждается при работе с оптическим светом, хотя в некоторых областях астрономии это, конечно, кейс.

Использование доплеровского сдвига привело к некоторым важным открытиям в астрономии. В начале 1900-х годов считалось, что вселенная был статичным. На самом деле это привело Альберт Эйнштейн добавить космологическую константу к его знаменитому уравнению поля, чтобы "отменить" расширение (или сжатие), которое было предсказано его вычислением. В частности, когда-то считалось, что «край» Млечный Путь представляет собой границу статической вселенной.

Потом, Эдвин Хаббл обнаружили, что так называемые "спиральные туманности", которые преследовали астрономию в течение десятилетий, были не туманности на всех. На самом деле это были другие галактики. Это было удивительное открытие, и он сказал астрономам, что вселенная намного больше, чем они знали.

Затем Хаббл приступил к измерению доплеровского сдвига, в частности, обнаружив красное смещение этих галактик. Он обнаружил, что чем дальше галактика, тем быстрее она отступает. Это привело к теперь знаменитым Закон Хаббла, который говорит, что расстояние до объекта пропорционально скорости его спада.

Это откровение заставило Эйнштейна написать, что его добавление космологической постоянной к уравнению поля было величайшей ошибкой в ​​его карьере. Интересно, однако, что некоторые исследователи в настоящее время устанавливают постоянную назад в общая теория относительности.

Как выясняется, закон Хаббла верен только до определенной степени, поскольку исследования последних двух десятилетий показали, что далекие галактики отступают быстрее, чем прогнозировалось. Это подразумевает, что расширение вселенной ускоряется. Причина этого загадка, и ученые назвали движущей силой этого ускорения темная энергия. Они объясняют это в уравнении поля Эйнштейна как космологическую константу (хотя она имеет другую форму, чем формулировка Эйнштейна).

Помимо измерения расширения вселенной, эффект Доплера может быть использован для моделирования движения вещей гораздо ближе к дому; а именно динамика Млечный путь.

Измеряя расстояние до звезд и их красное или синее смещение, астрономы могут составить карту движение нашей галактики и получить картину того, как наша галактика может выглядеть для наблюдателя через Вселенная.

Эффект Доплера также позволяет ученым измерять пульсации переменных звезд, а также движения частиц, движущихся с невероятной скоростью внутри струй релятивистских струй из сверхмассивные черные дыры.

Отредактировано и обновлено Кэролин Коллинз Петерсен.