Roodverschuiving

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Rood- en blauwverschuiving
Roodverschuiving, te zien in de spectraallijnen van de supercluster BAS11 (rechts), vergeleken met die van de zon.

Roodverschuiving in de astronomie en de natuurkunde is het verschijnsel dat het spectrum van uitgezonden licht of andere elektromagnetische straling bij ontvangst naar "rood" verschoven is, dat wil zeggen in de richting van de langere golflengten (lagere frequenties).

Het tegengestelde effect, waarbij een verschuiving naar de kortere golflengten - naar "blauw" - plaatsvindt, heet blauwverschuiving.

Kwantatieve beschrijving[bewerken]

De roodverschuiving wordt kwantitatief uitgedrukt in de relatieve verandering z van de golflengte λ ten opzichte van de uitgezonden golflengte λ0:

z=\frac{\lambda-\lambda_0}{\lambda_0}=\frac{f_0-f}{f}

Uitgedrukt in de frequenties is z de relatieve verandering van de uitgezonden frequentie f0 ten opzichte van de waargenomen frequentie f.

Er zijn 4 manieren waarop de roodverschuiving zich in het heelal kan manifesteren, via het Dopplereffect, het relativistische Dopplereffect, de kosmologische roodverschuiving en de gravitationele roodverschuiving. Dit zijn allemaal benaderingen, limiet situaties, vanuit de speciale relativiteitstheorie.

Dopplereffect[bewerken]

De eenvoudigste vorm van roodverschuiving ontstaat als gevolg van het dopplereffect. Wanneer een lichtbron en een waarnemer zich van elkaar verwijderen, is de door de waarnemer gemeten golflengte van het licht, uitgestraald door de lichtbron, langer en de frequentie lager. Naarmate het snelheidsverschil groter is, is het effect ook groter. Hetzelfde effect doet zich voor bij geluid, dat van toonhoogte verandert als bijvoorbeeld een sirene van een ambulance naar ons toekomt (hogere toon), voorbijrijdt en weer van ons wegrijdt (lagere toon).

Als relativistische aspecten buiten beschouwing worden gelaten, geldt voor snelheden v die veel kleiner zijn dan de lichtsnelheid c, voor de roodverschuiving:

z\ = \frac vc.

Relativistisch dopplereffect[bewerken]

Het relativistische dopplereffect treedt op als de snelheid van bron of ontvanger ten opzichte van elkaar de lichtsnelheid benadert.[1] In de praktijk is de roodverschuiving bij lichtgolven dan ook alleen meetbaar bij de zeer hoge relatieve snelheden die in het heelal voorkomen. In een experiment uit 1938, het Ives-Stilwell-experiment, werd het relativistische dopplereffect voor het eerst aangetoond.

In dat geval, als de lichtbron zich met grote snelheid v van de waarnemer verwijdert, volgt voor z:

z=\sqrt{\frac{c+v}{c-v}}-1=\sqrt{\frac{1+\frac vc}{1-\frac vc}}-1

Als de bron van het licht zich van de waarnemer af beweegt, ontstaat er een roodverschuiving (z > 0). In het andere geval ontstaat er een blauwverschuiving (z < 0). Als er geen relatieve beweging is, is er ook geen spectrale verschuiving (z = 0).

Dit kan ook worden geschreven met behulp van de Lorentzfactor:

\gamma = \frac 1{\sqrt{1-(\frac vc)^{2}}}

Er komt dan voor de roodverschuiving:

z\ = (1 - \frac vc)\gamma - 1

Als de snelheid v veel kleiner is dan c, nadert \gamma naar 1 en volgt in de limiet de formule voor het klassieke dopplereffect.

Kosmologische roodverschuiving[bewerken]

Het spectrum van de quasar CXOCDFS J033229.9-275106, waarin de Lyman-alfalijn door roodverschuiving verschijnt bij ongeveer 575 nm in plaats van 122 nm.
Fysische kosmologie
Een afbeelding van het heelal door het WMAP

De lichtspectra die op aarde worden ontvangen van de andere sterrenstelsels zijn verschoven ten opzichte van het lichtspectrum van de zon. De spectraallijnen van bijvoorbeeld waterstof zijn in het licht van verre sterrenstelsels verschoven naar het rode eind van het spectrum ten opzichte van de ligging van de spectraallijnen die hier op aarde aan waterstof wordt gemeten. De golflengte van deze spectraallijnen is langer geworden. Voor elk sterrenstelsel heeft deze verschuiving een andere waarde. Verreweg de meeste sterrenstelsels vertonen een roodverschuiving, een enkele ander vertoont een blauwverschuiving.

Hubble heeft als een van de eersten metingen aan roodverschuiving en blauwverschuivingen uitgevoerd. In eerste instantie interpreteerde hij de resultaten als gevolg van het dopplereffect, maar later ontdekte hij een correlatie tussen de roodverschuiving en de afstand van sterrenstelsels. De waarnemingen konden verklaard worden door een ander mechanisme voor roodverschuiving te introduceren, de kosmologische roodverschuiving (ook wel Hubble-roodverschuiving genoemd). Fotonen die een grote afstand door de ruimte afleggen worden a.h.w. uitgerekt, hetgeen voor deze kosmologische roodverschuiving zorgt.[1] Dit wordt veroorzaakt doordat de ruimte waardoor de fotonen reizen uitzet tijdens de reis van het foton.

Hoewel soms gerapporteerd wordt over kosmologische roodverschuiving z tot een waarde van 12,[2], zijn astronomen het erover eens dat de maximaal gemeten roodverschuiving zich bevindt rond een waarde van 6 tot 7.[3]

Hubble ontdekte een verband tussen de grootte van de roodverschuiving en de afstand van de sterrenstelsels tot ons melkwegstelsel. De exacte snelheid waarmee de sterrenstelsels zich van de Melkweg af bewegen is echter niet bekend. Deze is verwerkt in de Hubbleconstante, de verhouding tussen de snelheid waarmee een bepaalde lengte groter wordt door de uitdijing van het heelal en de grootte van die afstand.

Voor een relatief kleine waarde van de kosmologische roodverschuiving van bijvoorbeeld z=0.1 zijn de effecten van de ruimtetijd-uitzetting minimaal. De waargenomen roodverschuiving wordt dan alleen door de relatieve snelheid tussen lichtbron en waarnemer bepaald; het relativistische dopplereffect dus, zonder de uitrekking van het heelal.

Gravitationele roodverschuiving[bewerken]

De gravitationele roodverschuiving ontstaat als een foton zich voortplant in het zwaartekrachtsveld van een grote, niet roterende massa, zoals een zwart gat. Volgens de algemene relativiteitstheorie ontstaat er een verlenging van de tijd binnen zulk een zwaartekrachtsveld. Deze tijdsdilatie veroorzaakt roodverschuiving, die ook wel aangeduid wordt als Einsteinverschuiving.

Het effect is zeer klein maar wel meetbaar door gebruik te maken van het Mössbauereffect. De gravitationele roodverschuiving is de belangrijkste oorzaak van frequentieschommelingen in de kosmische achtergrondstraling.

Theorie gebaseerd op roodverschuiving[bewerken]

De roodverschuiving, zoals die bij sterrenstelsels wordt waargenomen, vormt een van de onderbouwingen voor de oerknaltheorie, die de oorsprong van het universum probeert te beschrijven en te verklaren.

  1. a b Vancanneyt Sander. Roodverschuiving mechanismen Geraadpleegd op 8 juni 2015
  2. Arie Nouwen. Hubble ontdekt zeven primitieve sterrenstelsels in het vroege heelal (12 december 2012) Geraadpleegd op 8 juni 2015
  3. Most Distant Quasar Opens Window Into Early Universe (1 juli 2011) Geraadpleegd op 8 juni 2015