Научете за Доплеровия ефект

Астрономите изучават светлината от далечни обекти, за да ги разберат. Светлината се движи през космоса със скорост 299 000 километра в секунда, а пътят му може да бъде отклонен от гравитацията, както и да бъде абсорбиран и разпръснат от облаци от материал във Вселената. Астрономите използват много свойства на светлината, за да изучават всичко - от планетите и техните луни до най-отдалечените обекти в Космоса.

Един от инструментите, които използват, е ефектът на Доплер. Това е изместване на честотата или дължината на вълната, излъчвано от обект, докато се движи през пространството. Тя е кръстена на австрийския физик Кристиан Доплер, който пръв го предложи през 1842 година.

Как действа Доплеровият ефект? Ако източникът на радиация, кажете a звезда, се движи към астроном на Земята (например), тогава дължината на вълната на нейното излъчване ще изглежда по-къса (по-висока честота и следователно по-висока енергия). От друга страна, ако обектът се отдалечи от наблюдателя, дължината на вълната ще изглежда по-дълга (по-ниска честота и по-ниска енергия). Вероятно сте изпитали версия за ефекта, когато сте чули свирка на влак или полицейска сирена, докато се движеше покрай вас, променяйки терена, когато минава покрай вас и се отдалечава.

Ефектът на Доплер стои зад такива технологии като полицейски радар, при който „радарният пистолет“ излъчва светлина с известна дължина на вълната. След това тази „радара“ на радара отскача от движеща се кола и се връща обратно към инструмента. Полученото изместване на дължината на вълната се използва за изчисляване на скоростта на превозното средство. (Забележка: всъщност това е двойна смяна, тъй като движещата се кола първо действа като наблюдател и преживява смяна, след това като движещ се източник изпраща светлината обратно в офиса, като по този начин измества дължината на вълната за секунда време.)

Когато обект се отдръпне (т.е. се отдалечи) от наблюдател, пиковете на излъчваното лъчение ще бъдат разположени по-далеч, отколкото биха били, ако обектът на източника беше неподвижен. Резултатът е, че получената дължина на вълната светлина изглежда по-дълга. Астрономите казват, че той е „изместен към червения“ край на спектъра.

Същият ефект важи за всички ленти от електромагнитния спектър, като например радио, Рентгенов или гама лъчи. Оптичните измервания обаче са най-често срещаните и са източник на термина „червено изместване“. Колкото по-бързо източникът се отдалечава от наблюдателя, толкова по-голям е червено отместване. От енергийна гледна точка по-дългите дължини на вълната съответстват на по-ниското енергийно излъчване.

И обратно, когато източник на радиация се приближава до наблюдател, дължините на вълната на светлината се появяват по-близо една до друга, което ефективно скъсява дължината на вълната на светлината. (Отново, по-късата дължина на вълната означава по-висока честота и следователно по-висока енергия.) Спектроскопично емисионните линии ще изглеждат изместени към синята страна на оптичния спектър, оттук и името Blueshift.

Както при червеното изместване, ефектът е приложим за други ленти от електромагнитния спектър, но ефектът е най-много често пъти се обсъжда при работа с оптична светлина, въпреки че в някои области на астрономията това със сигурност не е случай.

Използването на Доплеровата смяна доведе до някои важни открития в астрономията. В началото на 1900 г. се смяташе, че вселена беше статичен. Всъщност това доведе Алберт Айнщайн да се добави космологичната константа към неговото прочуто полево уравнение, за да се „отмени“ разширяването (или свиването), което беше предвидено от неговото изчисление. По-конкретно, някога се е смятало, че "ръбът" на млечен път представляваше границата на статичната вселена.

Тогава, Едвин Хъбъл установили, че така наречените „спираловидни мъглявини“, които страдат от астрономия в продължение на десетилетия, са не мъглявините изобщо. Те всъщност бяха други галактики. Това беше невероятно откритие и каза на астрономите, че вселена е много по-голям, отколкото са знаели.

Тогава Хъбъл пристъпи към измерване на доплеровото изместване, като конкретно открива червеното изместване на тези галактики. Той откри, че колкото по-далече е една галактика, толкова по-бързо тя отстъпва. Това доведе до сега известната Закон на Хъбъл, което казва, че разстоянието на даден обект е пропорционално на скоростта на рецесия.

Това откровение накара Айнщайн да напише това му добавянето на космологичната константа към полевото уравнение беше най-голямата грешка в кариерата му. Интересно е обаче, че някои изследователи сега поставят константата обратно в обща относителност.

Както се оказва, Законът на Хъбъл е валиден само до момента, тъй като изследванията през последните няколко десетилетия са установили това далечни галактики отстъпват по-бързо от предвиденото. Това означава, че разширяването на Вселената се ускорява. Причината за това е загадка и учените нарекоха движещата сила на това ускорение тъмна енергия. Те го отчитат в полевото уравнение на Айнщайн като космологична константа (макар че е с различна форма от формулировката на Айнщайн).

Освен измерване на разширяването на Вселената, ефектът на Доплер може да се използва за моделиране на движението на нещата, много по-близо до дома; а именно динамиката на Галактика на Млечния път.

Чрез измерване на разстоянието до звездите и тяхното червено изместване или блуширане, астрономите са в състояние да картографират движение на нашата галактика и да получите картина на това как може да изглежда нашата галактика на наблюдател от цялата страна вселена.

Ефектът на Доплер също позволява на учените да измерват пулсациите на променливи звезди, както и движения на частици, пътуващи с невероятни скорости в излъчващи релативистични струйни потоци от супермасивни черни дупки.

Редактиран и актуализиран от Каролин Колинс Петерсен.