Det synlige lysspektrum.
(Billede: © NASA.)
Redshift og blåskift beskriver, hvordan lys skifter mod kortere eller længere bølgelængder, når objekter i rummet (som stjerner eller galakser) bevæger sig tættere eller længere væk fra os. Konceptet er nøglen til at kortlægge universets ekspansion.
Synligt lys er et spektrum af farver, som er klart for alle, der har set på en regnbue. Når en genstand bevæger sig væk fra os, flyttes lyset til den røde ende af spektret, når dets bølgelængder bliver længere. Hvis et objekt bevæger sig tættere, bevæger lyset sig til den blå ende af spektret, da dens bølgelængder bliver kortere.
For at tænke på dette mere klart foreslår Det Europæiske Rumorganisation, at du forestiller dig, at du lytter til en politisirene, mens bilen løber forbi dig på vejen.
"Alle har hørt den øgede tonehøjde for en nærliggende politisirene og det kraftige fald i tonehøjden, når sirenen passerer og går tilbage. Effekten opstår, fordi lydbølgerne ankommer lytterens øre tættere på hinanden, når kilden nærmer sig, og længere fra hinanden, når den trækker sig tilbage, "skrev ESA.
Lyd og lys
Denne lydeffekt blev først beskrevet af Christian Andreas Doppler i 1800-tallet og kaldes Doppler-effekten. Da lys også udspringer i bølgelængder, betyder dette, at bølgelængderne kan strække sig eller knuse sammen, afhængigt af genstands relative position. Når det er sagt, kan vi ikke se det i daglig skala, fordi lyset bevæger sig så meget hurtigere end lydhastigheden - en million gange hurtigere, bemærkede ESA.
Den amerikanske astronom Edwin Hubble (som Hubble-rumteleskopet er opkaldt efter) var den første til at beskrive rødskiftfenomenet og binde det til et ekspanderende univers. Hans observationer, afsløret i 1929, viste, at næsten alle galakser, han observerede, bevæger sig væk, sagde NASA.
"Dette fænomen blev observeret som en rødskift i en galakks spektrum," skrev NASA. "Denne rødskift syntes at være større for svage, formodentlig længere, galakser. Derfor, jo længere en galakse er, jo hurtigere går den tilbage fra Jorden."
Galakserne bevæger sig væk fra Jorden, fordi rummets stof udvides. Mens galakser selv er på farten - Andromedagalaksen og Mælkevejen, for eksempel, er på kollisionskurs - er der et overordnet fænomen med rødskift, når universet bliver større.
Udtrykkene rødskift og blåskift gælder for enhver del af det elektromagnetiske spektrum, herunder radiobølger, infrarød, ultraviolet, røntgenstråler og gammastråler. Så hvis radiobølger skiftes ind i den ultraviolette del af spektret, siges de at være skiftet eller forskudt mod de højere frekvenser. Gamma-stråler skiftet til radiobølger ville betyde et skift til lavere frekvens eller en rødskift.
Den røde forskydning af et objekt måles ved at undersøge absorptions- eller emissionslinierne i dets spektrum. Disse linjer er unikke for hvert element og har altid den samme afstand. Når et objekt i rummet bevæger sig mod eller væk fra os, kan linjerne findes på forskellige bølgelængder, end hvor de ville være, hvis objektet ikke bevægede sig (i forhold til os). [Relateret: Lav dit eget spektroskop]
Redshift er defineret som ændringen i bølgelængden af lyset divideret med den bølgelængde, som lyset ville have, hvis kilden ikke bevægede sig - kaldet resten bølgelængde:
Tre typer rødskift
Mindst tre typer rødskift forekommer i universet - fra universets ekspansion, fra bevægelsen af galakser i forhold til hinanden og fra "gravitationsrødskift", som sker, når lyset forskydes på grund af den enorme mængde stof inde i en galakse.
Denne sidstnævnte rødskift er den subtile af de tre, men i 2011 var forskerne i stand til at identificere den i en universestørrelsesskala. Astronomer foretog en statistisk analyse af et stort katalog kendt som Sloan Digital Sky Survey, og fandt, at gravitationsrødskift faktisk sker - nøjagtigt i overensstemmelse med Einsteins teori om generel relativitet. Dette arbejde blev offentliggjort i en Nature-artikel.
"Vi har uafhængige målinger af klyngemasserne, så vi kan beregne, hvad forventningen til gravitationsrødskifte baseret på generel relativitet er," sagde Københavns Universitets astrofysiker Radek Wojtak på det tidspunkt. "Det stemmer nøjagtigt med målingerne af denne effekt."
Den første påvisning af gravitationsrødskift kom i 1959, efter at forskere opdagede, at det forekom i gammastrålelys, der stammede fra et jordbaseret laboratorium. Før i 2011 blev det også fundet i solen og i nærliggende hvide dværge, eller de døde stjerner, der forbliver efter solstore stjerner, ophører med kernefusion sent i deres liv.
Bemærkelsesværdige anvendelser af rødskift
Redshift hjælper astronomer med at sammenligne afstandene fra fjerne objekter. I 2011 meddelte videnskabsmænd, at de havde set det fjerneste objekt nogensinde set - en gammastråle-burst, kaldet GRB 090429B, som kom fra en eksploderende stjerne. På det tidspunkt vurderede forskere, at eksplosionen fandt sted for 13,14 milliarder år siden. Til sammenligning fandt Big Bang sted for 13,8 milliarder år siden.
Den længst kendte galakse er GN-z11. I 2016 bestemte Hubble-rumteleskopet, at det eksisterede bare et par hundrede millioner år efter Big Bang. Forskere målte rødskiftet af GN-z11 for at se, hvor meget dets lys var blevet påvirket af universets udvidelse. GN-z11s rødskift var 11,1, meget højere end den næsthøjeste rødskift på 8,68 målt fra galaksen EGSY8p7.
Forskere kan bruge rødskift til at måle, hvordan universet er struktureret i stor skala. Et eksempel på dette er Hercules-Corona Borealis Great Wall; lys tager omkring 10 milliarder år at gå over strukturen. Sloan Digital Sky Survey er et igangværende rødforskydningsprojekt, der prøver at måle rødskift fra flere millioner genstande. Den første rødskiftundersøgelse var CfA RedShift-undersøgelsen, der afsluttede sin første dataindsamling i 1982.
Et voksende forskningsfelt vedrører, hvordan man udtrækker rødskiftinformation fra tyngdebølger, som er forstyrrelser i rumtid, der sker, når en massiv krop accelereres eller forstyrres. (Einstein antydede først eksistensen af gravitationsbølger i 1916, og Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) påviste dem først direkte i 2016). Fordi tyngdekraftsbølger bærer et signal, der viser deres rødskiftede masse, kræver en vis beregning og estimering at udvinde rødskiftet derfra, ifølge en artikel i 2014 i det peer-reviewede tidsskrift Physical Review X.
Redaktørens note: Denne artikel blev opdateret 7. august, 2019 for at afspejle en korrektion. Radiobølger skiftet ind i den ultraviolette del af spektret er blåskiftet, ikke rødskiftet.
