Rødforskydning af lys
Lys er det man kalder elektromagnetisk stråling. I virkeligheden kan elektromagnetisk stråling både beskrives som partikler og bølger, men i den her note er det kun relevant at kigge på strålingens bølgeegenskaber. En bølge repræsenteres ved en sinuskurve, som ses herunder:
Illustration af en bølge.1
Bølger har visse karakteriske egenskaber. De tre størrelser, der er relevante for at beskrive rødforskydning, er bølgens periode (svingningstid) P, frekvens f og bølgelængde λ. Perioden er, som det er antydet på figuren, den tid det tager en bølge at udføre én svingning. Frekvensen er et mål for, hvor mange svingninger bølgen udfører pr. tidsenhed; jo større frekvens, des hurtigere svinger den. Sammenhængen mellem frekvensen f og perioden P er givet ved følgende:
Hvis perioden måles i sekunder (s), bliver enheden for frekvens 1/s = s-1. Enheden kalder man også Hertz (Hz) efter den tyske fysiker Heinrich Hertz (1857-1894). Den sidste størrelse er bølgelængden λ, der angiver afstanden mellem to bølgetoppe, som vist på ovenstående figur. Sammenhængen mellem størrelserne er givet ved bølgeligningen, der for elektromagnetiske bølger er på formen:
Hvor c = 299792458 m/s ≈ 3,00 x 108 m/s er lysets hastighed.
Der findes forskellige former for elektromagnetisk stråling, alt afhængig af deres bølgelængde (eller frekvens – man kan definere det ud fra begge størrelser). En inddeling af elektromagnetisk stråling ses nedenfor i det man kalder det elektromagnetiske spektrum:
Det elektromagnetiske spektrum.2
Som det ses, er der store dele af det elektromagnetiske spektrum, som vi med det blotte øje slet ikke kan se. Det vi kan se kaldes synligt lys, og ligger i bølgelængdeintervallet fra ca. 400 nm til 700 nm.
Rødforskydning er netop et fænomen, der optræder, når legemer der udsender lys bevæger sig væk fra os. Når de gør det, udstrækkes de bølger de udsender, så bølgelængden bliver større. Da rødt lys er det synlige lys med længst bølgelængde, betyder det netop, at lyset går mod den røde farve, når bølgen udstrækkes. Deraf navnet rødforskydning. Princippet ses på figuren herunder:
Rødforskydning. Lyset fra et objekt, der bevæger sig væk fra os, vil få en længere bølgelængde. Det ser vi som, at lyset bliver mere rødt.3
Ud fra bølgeligningen for elektromagnetisk stråling kan man se, at produktet af bølgelængden og frekvensen skal give en konstant, nemlig lysets hastighed. Det betyder, at når bølgelængden bliver større, bliver frekvensen mindre. Bølgerne får altså en mindre frekvens, og svinger derfor langsommere og langsommere, når de rødforskydes.
Hvis bølgerne rødforskydes meget, kan de få en så høj bølgelængde, at de forsvinder fra det synlige spektrum og bliver til infrarød stråling. Det er netop det der er sket for noget af den stråling, der er udsendt fra stjerner, der er langt væk. Universet ”trækker” simpelthen i strålingen når det udvider sig, og over store afstande vil det medføre, at lyset ikke længere vil være synligt for os.
Måden Hubble bestemte galaksers hastighed på, var ved at måle på deres rødforskydning. For at regne på rødforskydning, indfører man rødforskydningstallet z, der er defineret på følgende måde:
Hvor λmodtaget er bølgelængden af det lys man modtager på jorden, mens λudsendt betegner bølgelængden af det lys, man ville se hvis man stod lige der, hvor lyset bliver udsendt. Når man kender rødforskydningstallet, kan man bestemme den hastighed v, som objektet der udsender lys har ift. modtageren. Der gælder følgende sammenhæng:
Hvor c igen er lysets hastighed. Det skal dog nævnes, at denne sammenhæng kun gælder for små hastigheder igennem rummet. Skal man regne mere præcist, er det nødvendigt at inddrage relativitetsteorien.
I dag skelner man mellem rødforskydning pga. indbyrdes bevægelse mellem afsender og modtager (Dopplereffekten) og kosmologisk rødforskydning, der skyldes universets udvidelse. En kosmologisk rødforskydning kan godt give en hastighed, der er højere end lysets. Det bryder ikke med relativitetsteorien, fordi det er en udvidelse af rummet, og ikke en bevægelse i rummet.
Det mest rødforskudte stråling man kender til er den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.4 Man mener den har et rødforskydningstal på omkring z=1100.5
[1] https://fysikkemijulieandniko.weebly.com/boslashlger.html
[2] https://slks.dk/museer/museernes-arbejdsopgaver/bevaring/bevaring-og-haandtering/lysmaaling/
[3] http://fysikleksikon.nbi.ku.dk/r/roedforskydning/
[4] http://fysikleksikon.nbi.ku.dk/r/roedforskydning/, nederst
[5] http://fysikleksikon.nbi.ku.dk/r/roedforskydning/