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Rot- und Blauverschiebung

Rotverschiebung, gesehen in den Spektrallinien des Supercluster BAS11 (rechts; z=0,0782^[1]), im Vergleich zu der der Sonne.

Rotverschiebung in dem Astronomie und der Physik ist das Phänomen, dass es Spektrum aus der Sendung Licht oder andere elektromagnetische Strahlung wird beim Empfang auf "rot" verschoben, d.h. in Richtung des längeren Wellenlängen (niedriger Frequenzen).

Den gegenteiligen Effekt, bei dem eine Verschiebung zu den kürzeren Wellenlängen - nach "Blau" - eintritt, nennt man Blauverschiebung.

Quantitative Beschreibung

Die Rotverschiebung wird quantitativ ausgedrückt in der relativen Veränderung z der Wellenlänge λ relativ zur emittierten Wellenlänge λ₀:

${displaystyle z={frac {lambda -lambda _{0}}{lambda _{0}}}={frac {f_{0}-f}{f}}}$

Ausgedrückt in den Frequenzen ist z die relative Änderung der Sendefrequenz f₀ relativ zur beobachteten Häufigkeit f.

Es gibt 4 Möglichkeiten, wie die Rotverschiebung im Universum können sich über den Dopplereffekt, den relativistischen Dopplereffekt, die kosmologische Rotverschiebung und die gravitative Rotverschiebung manifestieren. Das sind alles Näherungen, Grenzsituationen, aus der speziellen Relativitätstheorie.

Doppler-Effekt

Die einfachste Form der Rotverschiebung entsteht durch die Doppler-Effekt. Wenn eine Lichtquelle und a Beobachter sich voneinander entfernen, wird der Beobachter gemessen Wellenlänge von dem Licht, ausgestrahlt von der Lichtquelle, länger und die Frequenz niedriger. Je größer die Geschwindigkeitsdifferenz, desto größer der Effekt. Der gleiche Effekt tritt bei Geräuschen auf, die sich in der Tonhöhe ändern, wenn beispielsweise eine Krankenwagensirene auf uns zukommt (höherer Ton), vorbeifährt und von uns wegfährt (tiefer Ton).

Wenn relativistische Aspekte außer Acht gelassen werden, sind Geschwindigkeiten v die viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit c sind, für die Rotverschiebung:

${displaystyle z={frac {v}{c}}.}$

Relativistischer Doppler-Effekt

Der relativistische Dopplereffekt tritt auf, wenn die Geschwindigkeit von Quelle und Empfänger relativ zueinander Lichtgeschwindigkeit Ansätze.^[2] In der Praxis lässt sich die Rotverschiebung von Lichtwellen daher nur bei den sehr hohen Relativgeschwindigkeiten messen, die in der Lichtwelle auftreten Universum Aussehen. In einem Experiment von 1938 Ives-Stilwell-Experimentwurde erstmals der relativistische Dopplereffekt nachgewiesen.

In diesem Fall, wenn sich die Lichtquelle mit großer Geschwindigkeit bewegt v entfernt sich vom Betrachter, folgt for z:

${displaystyle z={sqrt {frac {cv}{cv}}}-1={sqrt {frac {1 {frac {v}{c}}}{1-{frac {v}{c}}}}} } -1}$

Entfernt sich die Lichtquelle vom Beobachter, kommt es zu einer Rotverschiebung (z > 0). Andernfalls tritt eine Blauverschiebung auf (z < 0). Wenn es keine Relativbewegung gibt, gibt es keine spektral verschieben (z = 0).

Dies kann auch mit . geschrieben werden Lorentzfaktor:

${displaystyle gamma ={frac {1}{sqrt {1-({frac {v}{c}})^{2}}}}}$

Dann kommt vor der Rotverschiebung:

${displaystyle z =(1 {frac {v}{c}})gamma -1}$

Ist die Geschwindigkeit v viel kleiner als c, nähert sich . ${Displaystil-Gamma }$ auf 1 und im Grenzwert folgt die Formel für den klassischen Dopplereffekt.

Kosmologische Rotverschiebung

Das Spektrum der Quasar CXOCDFS J033229.9-275106, in dem die Lyman Alpha-Linie durch Rotverschiebung erscheint bei etwa 575 nm statt 122 nm.

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Die Lichtspektren, die auf der Erde von den anderen empfangen werden Galaxien aus dem Lichtspektrum der Sonne verschoben sind. Das Spektrallinien von zum Beispiel Wasserstoff haben sich im Licht entfernter Galaxien zum . verschoben rot Ende des Spektrums in Bezug auf die Lage der hier auf der Erde an Wasserstoff gemessenen Spektrallinien. Die Wellenlänge dieser Spektrallinien ist länger geworden. Diese Verschiebung hat für jede Galaxie einen anderen Wert. Die allermeisten Galaxien weisen eine Rotverschiebung auf, einige andere zeigen eine Blauverschiebung.

Hubble war einer der ersten, der Rot- und Blauverschiebung gemessen hat. Zunächst interpretierte er die Ergebnisse als auf den Dopplereffekt zurückzuführen, entdeckte aber später einen Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung und der Entfernung von Galaxien. Die Beobachtungen könnten durch die Einführung eines anderen Rotverschiebungsmechanismus erklärt werden, der kosmologischen Rotverschiebung (auch Hubble-Rotverschiebung genannt). Photonen, die eine große Distanz durch den Raum zurücklegen, werden sozusagen gestreckt, was diese kosmologische Rotverschiebung verursacht.^[2] Dies wird durch den Raum verursacht, durch den sich die Photonenreise während der Photonenreise ausdehnt.

Hubble entdeckte einen Zusammenhang zwischen der Größe der Rotverschiebung und der Entfernung der Galaxien von der Galaxie. Die genaue Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxien von der Milchstraße entfernen, ist jedoch unbekannt. Dies ist in die Hubble-Konstante, das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit, mit der eine gegebene Länge aufgrund der Expansion des Universums zunimmt, und der Größe dieser Entfernung.

Für einen relativ kleinen Wert der kosmologischen Rotverschiebung von z.B. z=0.1 sind die Auswirkungen der Raumzeitexpansion minimal. Die beobachtete Rotverschiebung wird dann nur noch durch die Relativgeschwindigkeit zwischen Lichtquelle und Beobachter bestimmt; also der relativistische Dopplereffekt, ohne die Streckung des Universums.

Das Objekt mit der größten im Jahr 2016 gemessenen kosmologischen Rotverschiebung war die Galaxie GN-z11, mit z = 11,1^[3]. Dies entspricht einer Entfernung von 13,4 Milliarden Lichtjahren.

Gravitationsrotverschiebung

Die Gravitationsrotverschiebung tritt auf, wenn sich ein Photon im Gravitationsfeld einer großen, nicht rotierenden Masse, wie beispielsweise eines Schwarzen Lochs, ausbreitet. Laut der generelle Relativität es gibt eine Verlängerung der Zeit innerhalb eines solchen Gravitationsfeldes. Dieses Zeitdilatation verursacht eine Rotverschiebung, die auch als Einstein-Verschiebung bezeichnet wird.

Der Effekt ist sehr klein, aber messbar mit dem Mößbauer-Effekt. Die gravitative Rotverschiebung ist die Hauptursache für Frequenzschwankungen im kosmischer Mikrowellenhintergrund.

Theorie basierend auf Rotverschiebung

Die Rotverschiebung, wie sie in Galaxien zu sehen ist, ist eine der Grundlagen für die Urknalltheorie, das ist der Ursprung des Universum versucht zu beschreiben und zu erklären.

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