Kuuke's Sterrenbeelden

Wat kunnen astronomen met de roodverschuiving?

Venus, de Aarde en Mars gefotografeerd door de Solar Orbiter. Credit: ESA/NASA/NRL/Solar Orbiter/SolOHI

Een roodverschuiving vertelt hoe een object zich verplaatst in de ruimte en maakt het voor astronomen mogelijk om anders onzichtbare planeten te vinden en de bewegingen van sterrenstelsels te observeren. Ze kunnen aan de hand van de roodverschuiving het begin van het heelal onthullen.

Astronomen gebruiken roodverschuivingen om de uitdijing van het heelal te meten en dus op die manier de afstand tot de verst verwijderde objecten (en dus de oudste) in het heelal te bepalen. Wat is een roodverschuiving? Het wordt vaak vergeleken met het hoge geluid van een ambulance met sirene die naar je toe komt. De hoogte van het geluid verandert als de ambulance je passeert en van zich van je verwijderd. De verandering in het geluid van de ambulance wordt veroorzaakt door wat we het Dopplereffect noemen. Het is een goede vergelijking omdat geluid en licht beiden in golven bewegen en die worden beïnvloedt door hun beweging door lucht en de ruimte.

Geluid kan alleen zo snel door de lucht bewegen. Geluid reist met een snelheid van ongeveer 1200 kilometer per uur. Als een ambulance met gillende sirenes rijdt dan worden de geluidsgolven voor de ambulance samengedrukt. Ondertussen verspreiden de geluidsgolven achter de ambulance zich. Dit betekent dat de frequentie van de geluidsgolven voor de ambulance hoger is (meer geluidsgolven bereiken tijdens een bepaalde tijdsperiode de oren van de luisteraar) en lager is achter de ambulance (minder geluidsgolven die de oren van de luisteraar bereiken in een bepaalde tijdsperiode). Onze hersenen interpreteren veranderingen in de frequentie van geluid als veranderingen in de toonhoogte.

Net zoals geluid is licht een golfbeweging die met een vaste snelheid reist: 300.000 kilometer per seconde oftewel iets van een miljard kilometer per uur. Licht volgt dus gelijkaardige regels als geluid.

Maar in het geval van licht ervaren we veranderingen in de golflengte van de golven als veranderingen in kleur en niet in toonhoogte.

Roodverschuiving en blauwverschuiving. Vergelijkbaar met geluiden van een bewegende auto wordt het licht van een ster die zich van ons weg beweegt roder en als de ster naar ons toe beweegt wordt het blauwer. Credit: Aleš Tošovský, CC BY-SA 3.0, Link

Een lamp die zeer snel door de ruimte reist zal blauw lijken als de lamp naar ons toe beweegt en rood nadat de lamp ons is gepasseerd en zich van ons weg beweegt. Het meten van die kleine veranderingen in de frequentie van het licht maakt het voor astronomen mogelijk om de snelheid te meten en daarmee de afstand van alle objecten in het heelal. Dat klopt want hoe sneller een object beweegt hoe verder weg het is.

In ons uitdijende heelal kan een snelheidsmeting worden vertaald naar een afstandsmeting.

Bijvoorbeeld: begin januari 2020 bepaalden astronomen de roodverschuiving van de meest verre bekende quasar van dat moment, de quasar J0313-1806, op z= 7,64. Uitgaande van de interpretatie die astronomen hebben van de roodverschuiving zien we quasar J0313-1806 zoals die was slechts 670 miljoen jaar na de Oerknal. Dat betekent dat de quasar meer dan 13 miljard lichtjaar van ons is verwijderd. J0313-1806 is een erg heldere kern van een sterrenstelsel in het jonge heelal dat vermoedelijk door een supermassief zwart gat wordt aangedreven.

Of kijken we naar een nog verder verwijderd object, een normaal sterrenstelsel in het jonge heelal. GN-z11 is een sterrenstelsel met een grote roodverschuiving in de richting van het sterrenbeeld Grote Beer – Ursa Major. GN-z11 is momenteel het oudste en verst verwijderde sterrenstelsel in het waarneembare heelal. Het heeft een roodverschuiving van z = 11,09. Die roodverschuiving komt overeen met een afstand van 13,4 miljard lichtjaar. We zien het sterrenstelsel dus zoals het er 13,4 miljard jaar geleden uitzag, dat is net 400 miljoen lichtjaar na de Oerknal.

Deze afbeelding toont GN-z11. Het is een helder stervormend sterrenstelsel op een afstand van z = 10,957. Credit: NASA / ESA / P. Oesch, Yale University / G. Brammer, STScI / P. van Dokkum, Yale University / G. Illingworth, University of California, Santa Cruz.

Natuurlijk is het uitvoeren van deze metingen een stuk lastiger dan zeggen dat deze ster roder is dan dat-ie zou moeten zijn. In plaats daarvan maken astronomen gebruik van markeringen in het spectrum van het sterlicht. Dit wordt spectroscopie genoemd. Als je het licht van een zaklamp door een prima stuurt dan komt er aan de andere kant een regenboog uit. Maar als je een transparante container gevuld met waterstof tussen de zaklamp en het prisma zet dan ontstaan er donkere openingen in de gladde regenboog. Het zijn plakken waar geen licht is.

Objecten die zich van ons af bewegen vertonen een roodverschuiving en objecten die maar ons toekomen vertonen een blauwverschuiving

De waterstofatomen absorberen het licht op erg specifieke golflengtes. Als een bundel licht die uit veel kleuren bestaat het gas passeert dan worden die frequenties verwijderd – geabsorbeerd – uit de bundel. Vervang je het waterstof door helium dan krijg je een heel ander patroon van absorptielijnen. Elk atoom en molecuul heeft een eigen vingerafdruk die astronomen in staat stelt om de chemische samenstelling van verre sterren en sterrenstelsels te ontrafelen.

Als we sterlicht door een prisma sturen (of een gelijkaardig apparaat geschikt voor telescopen zoals een diffractierooster) dan zien we een woud van absorptielijnen van waterstof, helium natrium, etc. Echter, als die ster zich van ons af beweegt dan ondergaan al die absorptielijnen een Dopplerverschuiving en bewegen richting het rode deel van de regenboog. Dit is wat we de roodverschuiving noemen. Bij sterren die naar ons toe bewegen gebeurt het tegenovergestelde en bewegen al die lijnen richting het blauwe deel van het spectrum. Ze zijn blauw verschoven. Astronomen gebruiken vaak alleen maar de term roodverschuiving en zetten er dan een min teken voor als het gaat om een blauwverschuiving.

Door te meten hoe ver de lijnen zijn verwijderd van waar ze zouden moeten zijn in het spectrum kunnen astronomen de snelheid van een ster of een sterrenstelsel ten opzichte van de Aarde berekenen. Ze kunnen zelfs berekenen hoe een sterrenstelsel draait: ze meten dan een verschillende roodverschuiving voor de ene zijde van het sterrenstelsel vergeleken met de andere: aan de hand van de roodverschuiving kan je zien welke zijde naar ons toe beweegt en welke zijde van ons wegdraait.

Met dit stuk gereedschap kunnen bewegingen in het heelal worden onthuld en kunnen nieuwe vragen worden onderzocht.

Sterrenstelsels zijn niet de enige objecten die met behulp van roodverschuivingen kunnen worden onderzocht. Astronomen hebben geleerd om het subtiel trekken van een verre planeet p zijn moederster te meten en op die manier het bestaan van een planeet aan te tonen. Als een ster in ons sterrenstelsel een verborgen planeet heeft en als astronomen soms zien dat die ster soms een kleine roodverschuiving en andere keren een kleine blauwverschuiving dan beweegt lijkt het alsof die ster af en toe naar ons toe beweegt en weer van ons af beweegt. Ze noemen dit het wiebelen van een ster in de ruimte. Er moet dus iets aan de ster trekken dat die wiebeling veroorzaakt. Door te meten hoe ver de absorptielijnen verschuiven kunnen astronomen de massa van een onzichtbare begeleider meten en de afstand tot de ster bepalen en concluderen dat er een planeet rond de ster draait.

Naast het vinden van andere planeten hebben roodverschuivingen ook geleid tot een van de belangrijkste ontdekkingen van de 20ste eeuw. Omstreeks 1910 merkten astronomen van de Lowell sterrenwacht op dat het licht van nagenoeg alle sterrenstelsels een roodverschuiving vertoont: al die sterrenstelsels verwijderen zich van ons. Het was de Belgische priester/astronoom Georges Lemaître die herkende dat al die wegvluchtende sterrenstelsels verklaard konden worden door aan te nemen dat het heelal uitdijt. In 1929 kon de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble de roodverschuivingen koppelen aan afstandsschattingen van sterrenstelsels en hij ontdekte nog iets bijzonders: hoe verder een sterrenstelsel van ons is verwijderd hoe sneller het zich verwijderd. Deze relatie wordt de wet van Hubble genoemd. In 2018 werd de wet door de Internationale Astronomische Unie hernoemd tot de wet van Hubble – Lemaître.

Wat bekend werd als de kosmologische roodverschuiving werd het eerste deel van de Oerknaltheorie en uiteindelijk een beschrijving van de herkomst van ons heelal.

 

Eerste publicatie: 19 februari 2021
Bron: EarthSky




Exit mobile version