3. Dopplereffekten & Hubbles lov

Tenk deg en strålingskilde som sender ut stråler med samme frekvens og bølgelengde konstant. Disse bølgene blir registrert av en observatør. Hvis kilden begynner å bevege seg vekk fra observatører, så vil bølgelengden mellom kilden og observatøren forandres, bølgelengden vil bli lengre. Mens strålingen kilden sender ut den veien den beveger seg vil få kortere bølgelengde. Dette kalles Dopplereffekten.

Hvis det gjelder lydbølger, så vil lyden bli høyere hvis kilden nærmer seg, og lavere hvis kilden fjerner seg.

Det er viktig å være oppmerksom på at det bare er bølgelengden, og ikke frekvensen som forandres, selvom observatøren vil føle at frekvensen endrer seg. Grunnen til det er jo at avstanden mellom kilden og observatøren blir lengre eller kortere, og dermed må bølgen forflytte seg over en kortere avstand. Derfor føles det ut som om frekvensen øker eller avtar. Vi kan si at den oppfattede frekvensen endres, altså frekvensen til bølgene som observatøren mottar.

Formelen for oppfattede frekvens (f) av observatør er denne:

hvor f₀ er den ekte frekvensen på bølgen kilden sender,  v er hastigheten på bølgen i det mediet (i vår atmosfære blir det luft) den beveger seg i og hvor v_s, r er hastigheten til kilden (positiv hvis kilden beveger seg mot observatøren, og negativ hvis den beveger seg bort fra observatøren).

Det finnes også en formel for frekvens i tilfeller hvor observatøren beveger seg vekk fra en stillestående kilde, hvor v_o er bevegelsen til observatøren:

Grunnen til navnet er at effektens eksistens først ble foreslått av Christian Andreas Doppler i 1842.      

3 år senere ble teorien vellykket testet ut på lydbølger av vitenskapsmannen Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot, og igjen ble effekten oppdaget, på elektromagnetiske bølger denne gangen, av Armand-Hippolyte Fizeau i 1848. 

Vi kan knytte rødforskyvning og blåforskyvning med Dopplereffekten. Rødforskyvning er definert som at bølgelengden blir lengre enn den oppriktige bølgelengden en strålingsskilde sender ut, altså når en strålingskilde beveger seg vekk fra en observatør. Blå forskyvning er det motsatte, som da vil si når en strålingskilde nærmer seg observatøren. Rødforskyvning har fått dette navnet fordi det er mest vanlig å se på lysbølgene et kosmisk objekt sender ut, for å finne ut om det nærmer seg eller fjerner seg. Hvis objektet fjerner seg, så strekkes lysbølgene ut og det nærmer seg den røde siden av lysspekteret, derfor navnet rødforskyvning. Med blåforskyvning er det omvendt. lysbølgene blir kortere og går mot den blå siden av lysspekteret, og derfor navnet blåforskyvning.

En metode som brukes for å finne ut om f.eks. en stjerne nærmer seg eller ikke, er ved å analysere lyset til stjernen. Da må man først vite hvor på lysspekteret de ulike linjene til stjernen skal være. Så ser man hvor langt disse linjene er forskjøvet mot rødt eller blått.

Det har seg nemlig slik at hvert enkelt grunnstoff har et eget linjespekter og sender ut stråling med helt bestemte bølgelengder. Man kan bruke et emisjonspekter til å finne linjespekteret til et stoff. Et slik spekter kan også brukes andre veien for å finne ut hvilket stoff som sender stråling.

Senere kan man bruke det som kalles et absorpsjonsspekter til å finne ut hvilke grunnstoffer, f.eks en stjerne, består av. Så hvis en stjerne er på vei bort fra oss, kan vi finne ut av det ved å se hvilken bølgelengde den absorberer på absopsjonsspekteret. Er linjene forskøvet mot den røde siden, så vet vi at det er rødforskyvning. Det samme kan gjøres når det gjelder blåforskyvning.

 Rødforskyvning av en galakse. Man kan se at spektrallinjene til galaksen har flyttet seg mot den røde siden på absorpssjonspekteret.

Dopplereffekten kan hjelpe oss mennesker med å finne info om universet. Vi kan bl.a. bruke effekten til å finne ut om galakser og stjerner beveger seg bort fra oss. Dette blir gjort nå i vår tid gjennom et kosmisk observasjonsprogram som ble påbegynt i 1910.

Vesto Melvin Slipher, en amerikansk astronom, målte på den tiden frekvensforskyvningen til blant annet 41 spiralgalakser. 36 av galaksene hadde rødforskyvning, mens de siste 5 hadde blå forskyvning, dvs at 36 av galaksene er på vei bort fra vår galakse, mens 5 er på vei mot oss.

 En spiralgalakse

De 36 galaksene med rødforsyvning hadde en hastighet på opp til hele 1800 km/s vekk fra oss! Nabogalaksen vår, Andromedagalaksen, hadde den høyeste hastigheten av blåforskyvningsgalaksene, den beveger seg mot oss med en hastighet på 300 km/s! Astronomene Edwin Hubble og Milton L. Humanson observerte en sammenheng mellom rødforskyvningen av kosmiske objekter og avstanden dem i mellom i flere tilfeller, og i 1929 la Hubble frem en teori om at hastigheten to kosmiske objekter har når de beveger seg fra hverandre, er proporsjonal med avstanden dem i mellom. Denne teorien har i etter tid fått navnet Hubbles lov, og har blitt bekreftet i flere sammenhenger.

Edwin Hubble

Med Hubbles lov kan vi ta skrittet videre når det gjelder å tolke den elektromagnetiske strålingen vi mottar fra verdensrommet. Ved bruk av denne formelen kan man finne ut i hvilken fart et kosmisk objekt beveger seg vekk fra et annet:

v=Hr

Her er v farten, r er avstanden mellom de to kosmiske objektene, og H (Hubbleparameteren) er en konstant som er målt til 22 ± 2 (km/s)/Mpc (km/s per million lysår) eller 71 ± 4 (km/s)/Mpc.

Ved hjelp av Dopplereffekten og Hubbles lov har en del forskere kommet frem til teorien om at universet stadig utvider seg og blir større i en hastighet som også stadig øker. Denne teorien støtter også under teorien om Big Bang.

Illustrasjon til teorien om Big Bang.

Big Bang sier ikke noe om hvordan universet ble til, men er snarere en modell på hvordan universet har utviklet seg fra å være et infinitesimalt område (et uendelig lite område som har ingen utbreielse, men likevel er et punkt) for omtrendt 13,7 milliarder år siden. Modellen sier at universet stadig vokser i størrelse, noe som faktisk stemmer. Teorien om Big Bang stemmer overens med Einsteins generelle relativitetsteori (geometrisk teori om gravitasjon) og Hubbles loven.

Det står mer om Big Bang på en annen side på bloggen.