Det synliga ljusspektrumet.
(Bild: © NASA.)
Redshift och blåskift beskriver hur ljuset förflyttar sig mot kortare eller längre våglängder när objekt i rymden (som stjärnor eller galaxer) rör sig närmare eller längre bort från oss. Konceptet är nyckeln till att kartlägga universums expansion.
Synligt ljus är ett spektrum av färger, vilket är tydligt för alla som har tittat på en regnbåge. När ett objekt rör sig bort från oss förskjuts ljuset till spektrumets röda ände, eftersom dess våglängder blir längre. Om ett objekt rör sig närmare, rör sig ljuset till det blå änden av spektrumet, eftersom dess våglängder blir kortare.
För att tänka på detta mer tydligt föreslår Europeiska rymdorganisationen, föreställ dig att du lyssnar på en polisirene när bilen rusar förbi dig på vägen.
"Alla har hört den ökade tonhöjden för en närmande polissirene och den kraftiga minskningen i tonhöjden när sirenen passerar och avtar. Effekten uppstår eftersom ljudvågorna når lyssnarens öra närmare varandra när källan närmar sig och längre ifrån varandra avtar, "skrev ESA.
Ljud och ljus
Denna ljudeffekt beskrevs först av Christian Andreas Doppler på 1800-talet och kallas Doppler-effekten. Eftersom ljus också utstrålar i våglängder, betyder det att våglängderna kan sträcka sig eller krossa ihop beroende på föremålens relativa position. Som sagt, vi märker det inte i daglig skala eftersom ljuset reser så mycket snabbare än ljudets hastighet - en miljon gånger snabbare, konstaterade ESA.
Den amerikanska astronomen Edwin Hubble (som Hubble Space Telescope är uppkallad efter) var den första som beskrev rödförskjutningsfenomenet och binder det till ett expanderande universum. Hans observationer, avslöjade 1929, visade att nästan alla galaxer som han observerade flyttar bort, sade NASA.
"Detta fenomen observerades som en rödförskjutning av galaxens spektrum," skrev NASA. "Denna rödförskjutning tycktes vara större för svaga, förmodligen längre, galaxer. Därför, ju längre en galax är, desto snabbare går den tillbaka från jorden."
Galaxerna förflyttar sig från jorden för att rymdet i sig expanderar. Medan galaxerna själva är på väg - till exempel Andromedagalaxen och Vintergatan på en kollisionskurs - finns det ett övergripande fenomen av rödförskjutning när universum blir större.
Termen rödförskjutning och blåskift gäller för alla delar av det elektromagnetiska spektrumet, inklusive radiovågor, infraröd, ultraviolett, röntgenstrålar och gammastrålar. Så om radiovågor flyttas in i den ultravioletta delen av spektrumet, sägs de vara blåskiftade eller förskjutna mot de högre frekvenserna. Gamma-strålar skiftade till radiovågor skulle innebära en förskjutning till lägre frekvens eller en rödförskjutning.
Rödskiftet av ett objekt mäts genom att undersöka absorptions- eller emissionslinjerna i dess spektrum. Dessa rader är unika för varje element och har alltid samma avstånd. När ett objekt i rymden rör sig mot eller bort från oss, kan linjerna hittas på olika våglängder än var de skulle vara om objektet inte rör sig (relativt oss). [Relaterat: Gör ditt eget spektroskop]
Redshift definieras som förändringen i ljusets våglängd dividerad med den våglängd som ljuset skulle ha om källan inte rörde sig - kallas resten våglängd:
Tre typer av redshift
Åtminstone tre typer av rödförskjutning förekommer i universum - från universums expansion, från galaxernas rörelse relativt varandra och från "gravitational redshift", vilket händer när ljuset förskjuts på grund av den stora mängden materia inuti en galax.
Denna senare rödförskjutning är den subtila av de tre, men 2011 kunde forskare identifiera den i en universumsstorleksskala. Astronomer gjorde en statistisk analys av en stor katalog som kallas Sloan Digital Sky Survey, och fann att gravitationsrödförskjutning händer - exakt i linje med Einsteins teori om allmän relativitet. Detta arbete publicerades i ett Nature-papper.
"Vi har oberoende mätningar av klustermassorna, så vi kan beräkna vad förväntningarna på gravitationsrödförskjutning baserat på allmän relativitet är", sade Köpenhamns astrofysiker Radek Wojtak vid den tiden. "Det överensstämmer exakt med mätningarna av denna effekt."
Den första upptäckten av gravitationsrödskiftet kom 1959, efter att forskare upptäckte att det inträffade i gammastrålningsljus som härstammade från ett jordbaserat laboratorium. Före 2011 hittades den också i solen och i närliggande vita dvärgar, eller de döda stjärnorna som finns kvar efter solstora stjärnor upphör med kärnfusion sent i deras liv.
Noterbar användning av rödförskjutning
Redshift hjälper astronomer att jämföra avstånd från avlägsna föremål. 2011 meddelade forskare att de hade sett det längsta objektet som någonsin har sett - en gammastrålningsbrast som heter GRB 090429B, som härstammade från en exploderande stjärna. Vid den tiden uppskattade forskare att explosionen ägde rum för 13,14 miljarder år sedan. Som jämförelse inträffade Big Bang för 13,8 miljarder år sedan.
Den längst kända galaxen är GN-z11. 2016 bestämde Hubble rymdteleskopet att det fanns bara några hundra miljoner år efter Big Bang. Forskare mätte rödskiftet av GN-z11 för att se hur mycket dess ljus hade påverkats av universums expansion. GN-z11s rödförskjutning var 11,1, mycket högre än den näst högsta rödförskjutningen på 8,68 mätt från galaxen EGSY8p7.
Forskare kan använda redshift för att mäta hur universum är strukturerat i stor skala. Ett exempel på detta är Hercules-Corona Borealis Great Wall; ljus tar cirka 10 miljarder år att gå över strukturen. Sloan Digital Sky Survey är ett pågående rödskiftprojekt som försöker mäta rödskift av flera miljoner objekt. Den första undersökningen var CfA RedShift-undersökningen, som slutförde sin första datainsamling 1982.
Ett framväxande forskningsfält handlar om hur man kan hämta redshift-information från gravitationella vågor, som är störningar i rymden som inträffar när en massiv kropp accelereras eller störs. (Einstein föreslog först existensen av gravitationsvågor 1916, och Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte dem direkt 2016). Eftersom gravitationsvågorna har en signal som visar deras rödförskjutna massa kräver en viss beräkning och uppskattning att rödskiftet dras ut, enligt en artikel från 2014 i den granskade tidskriften Physical Review X.
Redaktörens anmärkning: Den här artikeln uppdaterades den 7 augusti 2019 för att återspegla en korrigering. Radiovågor förskjutna till den ultravioletta delen av spektrumet är blåskiftade, inte rödförskjutna.
