Spektrum viditelného světla.
(Obrázek: © NASA.)
Redshift a blueshift popisují, jak se světlo posouvá směrem k kratším nebo delším vlnovým délkám, když se objekty v prostoru (jako jsou hvězdy nebo galaxie) pohybují blíže nebo dále od nás. Koncept je klíčem k mapování expanze vesmíru.
Viditelné světlo je spektrum barev, které je jasné každému, kdo se podíval na duhu. Když se objekt vzdálí od nás, světlo se posune na červený konec spektra, protože jeho vlnové délky se prodlužují. Pokud se objekt přiblíží, světlo se posune na modrý konec spektra, protože jeho vlnové délky se zkracují.
Abychom o tom jasněji přemýšleli, navrhuje Evropská kosmická agentura představte si, jak posloucháte policejní sirénu, když se auto vrhne na cestu.
„Každý slyšel zvětšené hřiště blížící se policejní sirény a prudký pokles rozteče, když siréna prochází a ustupuje. Efekt vzniká, protože zvukové vlny přicházejí k uchu posluchače blíže k sobě, jak se zdroj přibližuje, a dále se od sebe oddělují, jak se přibližuje ustupuje, “napsal ESA.
Zvuk a světlo
Tento zvukový efekt poprvé popsal Christian Andreas Doppler v roce 1800 a nazývá se Dopplerův efekt. Protože světlo také vyzařuje ve vlnových délkách, znamená to, že vlnové délky se mohou natahovat nebo křupat v závislosti na relativní poloze objektů. To znamená, že si to nevšimneme v měřítku každodenního života, protože světlo cestuje mnohem rychleji než rychlost zvuku - milionkrát rychlejší, poznamenal ESA.
Americký astronom Edwin Hubble (po kterém je pojmenován Hubbleův kosmický dalekohled) byl první, kdo popsal jev redshift a spojil ho s expandujícím vesmírem. Jeho pozorování, odhalená v roce 1929, ukázala, že téměř všechny galaxie, které pozoroval, se stěhují, řekl NASA.
"Tento jev byl pozorován jako červený posun spektra galaxie," napsal NASA. „Zdálo se, že tento červený posun byl větší pro slabé, pravděpodobně další galaxie. Čím dál tedy galaxie, tím rychleji ustupuje ze Země.“
Galaxie se pohybují pryč od Země, protože struktura vesmíru sama se rozšiřuje. Zatímco samotné galaxie jsou v pohybu - Galaxie Andromeda a Mléčná dráha jsou na kolizním kurzu - dochází k celkovému fenoménu redshift, jak se vesmír zvětšuje.
Pojmy redshift a blueshift se vztahují na jakoukoli část elektromagnetického spektra, včetně rádiových vln, infračerveného záření, ultrafialového záření, rentgenového záření a záření gama. Takže, pokud jsou rádiové vlny posunuty do ultrafialové části spektra, říká se, že jsou přesměrovány nebo posunuty směrem k vyšším frekvencím. Gama paprsky posunuté k rádiovým vlnám by znamenaly posun na nižší frekvenci nebo červený posun.
Červený posun objektu se měří zkoumáním absorpčních nebo emisních čar v jeho spektru. Tyto čáry jsou jedinečné pro každý prvek a vždy mají stejné rozestupy. Když se objekt ve vesmíru pohybuje směrem k nám nebo od nás, linie lze nalézt na různých vlnových délkách, než kde by byly, pokud by se objekt nepohyboval (vzhledem k nám). [Související: Vytvořte si vlastní spektroskop]
Redshift je definován jako změna vlnové délky světla dělená vlnovou délkou, kterou by světlo mělo, kdyby se zdroj nepohyboval - nazývá se zbytková vlnová délka:
Tři typy redshift
Ve vesmíru se vyskytují nejméně tři typy červeného posunu - z vesmírné expanze, z pohybu galaxií vůči sobě navzájem az „gravitačního červeného posuvu“, ke kterému dochází, když je světlo posunuto kvůli obrovskému množství hmoty uvnitř galaxie.
Tento druhý červený posun je nejjemnější ze tří, ale v roce 2011 byli vědci schopni jej identifikovat na stupnici vesmíru. Astronomové provedli statistickou analýzu velkého katalogu známého jako Sloan Digital Sky Survey a zjistili, že se děje gravitační redshift - přesně v souladu s Einsteinovou teorií obecné relativity. Tato práce byla publikována v příspěvku Nature.
"Máme nezávislá měření shlukových hmot, takže můžeme spočítat, jaká je očekávání gravitačního červeného posunu na základě obecné relativity," řekl tehdejší astrofyzik Radek Wojtak z Kodaňské univerzity. "Přesně to souhlasí s měřením tohoto účinku."
První detekce gravitačního červeného posunu přišla v roce 1959 poté, co vědci zjistili, že k tomu dochází ve světelném gama záření vycházejícím ze zemské laboratoře. Před rokem 2011 bylo také nalezeno na slunci a v blízkých bílých trpaslících nebo mrtvých hvězdách, které zůstanou poté, co hvězdy velikosti Slunce přestanou jadernou fúzi pozdě v životě.
Pozoruhodná použití redshift
Redshift pomáhá astronomům porovnat vzdálenosti vzdálených objektů. V roce 2011 vědci oznámili, že viděli nejvzdálenější objekt, jaký kdy viděl - výbuch gama paprsků GRB 090429B, který vychází z explodující hvězdy. V té době vědci odhadovali, že k explozi došlo před 13,14 miliardami let. Pro srovnání se Velký třesk uskutečnil před 13,8 miliardami let.
Nejznámější známou galaxií je GN-z11. V roce 2016 Hubbleův vesmírný dalekohled zjistil, že existoval jen několik set milionů let po Velkém třesku. Vědci změřili redshift GN-z11, aby zjistili, jak moc jeho světlo bylo ovlivněno expanzí vesmíru. Redshift GN-z11 byl 11,1, mnohem vyšší než další nejvyšší redshift 8,68 měřený z galaxie EGSY8p7.
Vědci mohou pomocí červeného posuvu změřit strukturu vesmíru ve velkém měřítku. Jedním z příkladů je Velká zeď Hercules-Corona Borealis; světlu trvá asi 10 miliard let, než projde strukturou. Sloan Digital Sky Survey je probíhající projekt redshift, který se snaží měřit redshifts několika milionů objektů. Prvním průzkumem redshift byl průzkum CfA RedShift Survey, který dokončil svůj první sběr dat v roce 1982.
Jeden objevující se obor výzkumu se týká toho, jak extrahovat informace o červeném posunu z gravitačních vln, což jsou poruchy v časoprostoru, ke kterým dochází, když je masivní tělo zrychleno nebo narušeno. (Einstein nejprve navrhl existenci gravitačních vln v roce 1916 a laserová interferometrová gravitační vlnová observatoř (LIGO) je poprvé detekovala přímo v roce 2016). Protože gravitační vlny nesou signál, který ukazuje jejich redshifted mass, extrahování redshift z toho vyžaduje určitý výpočet a odhad, podle článku z roku 2014 v recenzovaném časopise Physical Review X.
Poznámka editora: Tento článek byl aktualizován 7. srpna 2019, aby odrážel opravu. Rádiové vlny posunuté do ultrafialové části spektra jsou modře posunuté, nikoli redshifted.
