Als komplementäre Antwort auf die von Chris ist die mittlere Reihe das Spektrum im Ruhezustand.

Eine Blauverschiebung bedeutet nicht, dass das Objekt am Ende blau wird. Es bedeutet nur, dass das gesamte Spektrum in der Frequenz nach oben verschoben wird. Beachten Sie, dass dies ein schematisches Diagramm und keine tatsächlichen Daten ist.

Wenn ein Stern Licht aussendet, hängt die Farbe seines Lichts, wie es auf der Erde beobachtet wird, von seiner Bewegung relativ zur Erde ab. Wenn sich ein Stern auf die Erde zubewegt, wird sein Licht zu höheren Frequenzen im Farbspektrum verschoben (zum grünen/blauen/violetten/ultravioletten/Röntgen-/Gammastrahlen-Ende des Spektrums). Eine höhere Frequenzverschiebung wird als "Blauverschiebung" bezeichnet. Je schneller sich ein Stern auf die Erde zubewegt, desto mehr wird sein Licht zu höheren Frequenzen verschoben. Wenn sich dagegen ein Stern von der Erde entfernt, wird sein Licht zu niedrigeren Frequenzen im Farbspektrum verschoben (in Richtung des orange/roten/infraroten/Mikrowellen/Radio-Endes des Spektrums). Eine niedrigere Frequenzverschiebung wird als "Rotverschiebung" bezeichnet.

Siehe auch diesen Link

Es sind die festen Positionen der Absorptionslinien im Spektrum, die es ermöglichen, das Element zu identifizieren, das diese Linien absorbiert. Nur eine Verschiebung überlagert sie.

Es gibt bestimmte physikalische Prozesse, die immer ein Licht der gleichen Wellenlänge erzeugen. Zum Beispiel Wasserstoffwechsel von der$n=2$in den Grundzustand emittiert immer ein Photon mit einer Energie von$10.2~\rm eV$, entspricht Licht mit einer Wellenlänge von$122~\rm nm$.

Es gibt viele solche Prozesse, die "Spektrallinien" bilden, die überall im Universum gleich sein sollten. Wenn wir also ein stellares Objekt mit den gleichen Spektrallinien sehen, nur alle um den gleichen Betrag verschoben, können wir vernünftigerweise feststellen, dass das Licht rotverschoben ist.

Rotverschiebungen bedeuten nicht wirklich, dass das Licht rot ist oder jemals rot war. Das ist es, was dich verwirrt.

"Rot" und "Blau" sind in diesem Zusammenhang Abkürzungen für "in Richtung zu längeren Wellenlängen/niedrigeren Energien" (rot) und "in Richtung zu kürzeren Wellenlängen/höheren Energien" (blau), weil Rot im sichtbaren Lichtspektrum an der Niedrigenergieende dessen, was wir sehen können, und Blau am Hochenergieende. Einfach ausgedrückt, Licht, Radio, Gammawellen – jede elektromagnetische Strahlung überhaupt – von einer Quelle, die „rotverschoben“ ist, bedeutet, dass sie (von uns) mit einer niedrigeren Energie empfangen wird, als sie „wirklich“ emittiert wurde (unter der Annahme eines geeigneten Bezugssystems).

Aber es könnte überhaupt jede Strahlung sein. "Rotverschoben" könnte also beschreiben:

• Gammastrahlen, die von einer fernen Galaxie ausgestrahlt werden und die wir als Röntgenstrahlen erkennen,
• gelbliches/weißes sichtbares Licht von einem Stern wie unserer Sonne, das ein extragalaktischer Beobachter als sichtbar wahrnimmt, aber aufgrund seiner Geschwindigkeit mehr orange gefärbt ist,
• ultraviolettes Licht, das als blaues sichtbares Licht wahrgenommen wird
• Infrarotstrahlen, die als Radiowellen wahrgenommen werden

solange die Erklärung auf der relativen Geschwindigkeit von Emitter und Beobachter, der Wirkung der Schwerkraft oder der Ausdehnung des Raums (die tatsächlich die Wellenlänge jedes Photons "dehnen" oder "komprimieren") basiert und nicht auf Faktoren wie z als Filterung von Licht, die nur die empfangenen Photonen beeinflusst.

Die gleiche Art von Aussagen, aber umgekehrt, gilt für blauverschobenes Licht (orangefarbenes Licht wird als gelb/weiß gesehen, Röntgenstrahlen werden als Gammastrahlen empfangen usw.).

Bedeutung

Viele Lichtarten, die wir im Universum sehen, sind sehr genau definiert. Wir wissen zum Beispiel genau, welche Lichtfrequenzen angeregter Wasserstoff abgeben kann, wenn er Energie verliert. Wir wissen auch genau, welche Frequenzen Wasserstoffgaswolken absorbieren können, wenn Licht durch sie hindurchgeht (so dass eine bestimmte Frequenz „fehlt“, wenn wir sie sehen). [Sie sind dasselbe!]

Die Frequenzen, die sich auf jede Quelle beziehen, zeigen sich üblicherweise als Muster sehr spezifischer Frequenzen oder als Verteilung von Frequenzen, nicht nur als eine Frequenz. Diese Frequenzmuster sind für jedes Element unterschiedlich und wirken wie ein „Fingerabdruck“. Einfach ausgedrückt ist es möglich, ein Muster von Frequenzen (oft als „ Spektrallinien “ gezeichnet) zu betrachten" in grafischer Form), und stellen Sie sicher, welche Linien welches Element darstellen. Es ist so spezifisch, dass wir oft sogar die genaue Wechselwirkung identifizieren können, die die Strahlung verursacht hat (spezifische Wechselwirkungen haben normalerweise gut bekannte Energien für die von ihnen erzeugten Photonen). Wenn wir das wissen, können wir sicher sein, was die ursprünglichen Frequenzen für diese Wechselwirkung oder dieses Element „wirklich" gewesen wären. Der Unterschied zwischen dieser und der Frequenz, die wir tatsächlich entdeckt haben, ist die Rot- oder Blauverschiebung, die die Strahlung erfahren hat.

So kann ein Kosmologe anhand der von ihm erfassten Spektren feststellen, welche ursprünglichen Frequenzen ausgestrahlt wurden, und er kann sich auch absolut sicher sein, ob das Licht oder die Radio- oder andere Wellen, die er erfasst, immer diese Frequenz hatten oder ursprünglich mit einer anderen Frequenz ausgestrahlt wurden, es aber gewesen sind Rot oder Blau um einen gewissen Betrag verschoben (= mit einer niedrigeren oder höheren Frequenz empfangen) und dass dies auf ihre hohen Relativgeschwindigkeiten zurückzuführen ist.

(Die andere mögliche Ursache ist die gravitative Rotverschiebung, siehe nächster Abschnitt)

Ursachen

Aus astronomischer Sicht ist die bei weitem häufigste Ursache für Rot-/Blauverschiebung die relative Geschwindigkeit eines Objekts zur Erde hin oder von ihr weg. In diesem Fall ist die Rot-/Blauverschiebung letztendlich auf die spezielle Relativitätstheorie zurückzuführen(die Bewegung von Objekten relativ zu einem Beobachter in der Raumzeit). Ob in unserer eigenen Galaxie oder anderswo, die meisten Objekte im Weltraum bewegen sich auf uns zu oder von uns weg. Auf kosmischer Ebene bedeutet die Expansion des Universums, dass sich fast alles außerhalb unseres eigenen galaktischen Superhaufens mit hoher Geschwindigkeit von uns entfernt – und je weiter weg, desto schneller wird es empfangen. Licht und andere Strahlung, die von sehr alten Objekten empfangen wird, die seit Milliarden von Jahren unterwegs sind, werden ebenfalls rotverschoben, da diese Strahlung im Laufe der Zeit durch die Ausdehnung des Weltraums beeinflusst wurde, so dass auf einem sehr großen kosmischen Maßstab Rotverschiebung verbunden ist zu Zeit/Alter/Jahren und Entfernung sowie Geschwindigkeit - bekannt als Hubbles Gesetz. Unabhängig davon, ob die Geschwindigkeit auf die Raumausdehnung oder die eigene Bewegung des Objekts im Raum zurückzuführen ist, wird eine Rot/Blau-Verschiebung resultieren.

Die andere bekannte Ursache für die Rotverschiebung ist der Effekt der extremen Schwerkraft, bekannt als "Gravitationsrotverschiebung". In diesem Fall ist die ultimative Erklärung die allgemeine Relativitätstheorie (der Einfluss von Masse und Schwerkraft auf die Raumzeit). Beispielsweise könnte Strahlung, die sehr nahe an einem massiven Objekt wie einem Schwarzen Loch abgegeben wird oder vielleicht ein sehr massives Objekt auf seiner Reise zu uns passiert, aufgrund der Schwerkraft rotverschoben werden. (Theoretisch könnte es auch umgekehrt funktionieren – ein Beobachter, der irgendwie direkt in der Nähe eines Schwarzen Lochs schweben könnte, könnte andere Objekte als blauverschoben sehen – aber in der Praxis ist dies eine Perspektive, die wir auf der Erde nie sehen.)

Historisch gesehen führte diese „doppelte Ursache“ eine Zeit lang zu einiger Verwirrung, da Astronomen in den frühen Tagen der Radioastronomie nicht immer sicher waren, ob sie ein sehr weit entferntes/sich schnell bewegendes Objekt oder ein nahes Objekt sahen, das von der Schwerkraft beeinflusst wurde . Heutzutage sind sich Astronomen jedoch normalerweise sehr sicher, was sie sehen.

Beispiel

Angenommen, wir versuchen, dieses Wissen zu nutzen. Anstatt nur zu sagen, dass wir Radiowellen einiger Frequenzen von einer Quelle erkennen, können wir (zum Beispiel) sagen, dass das, was wir erkennen, eine Übereinstimmung mit Emissionen von Wasserstoff mit etwas Kohlenstoff ist und dass die Wasserstofflinien um den Betrag X rotverschoben wurden, aber das Kohlenstoffspektrum war um den Y-Betrag blauverschoben . Daher schließen wir, dass wir tatsächlich 2 Objekte betrachten, wahrscheinlich eines, das Kohlenstoff enthält, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf uns zubewegt, und eines, das Wasserstoff enthält, der sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit von uns wegbewegt. Vielleicht liegt eine Quelle fast hinter der anderen, oder es handelt sich um ein Doppelsternsystem. Aus den Geschwindigkeiten und dem Betrag der Rot/Blau-Verschiebung können wir die Entfernungen bestimmen (entweder stammen sie aus unserer lokalen Galaxie oder unserem Haufen oder sind sie Milliarden von Lichtjahren entfernt) und vieles mehr.

Wenn sie sich in einem binären System befinden, können wir erwarten, dass sich ihre Rot/Blau-Verschiebungen periodisch ändern, wenn sich jeder von ihnen mehr auf uns zu bewegt, dann weiter weg. Aus ihren Emissionen können wir herausfinden, um welche Art von Sternen es sich handelt und daher ihre wahrscheinliche/geschätzte Masse (ich vereinfache viel!). Aus der Zeit, die zum Auf- und Absteigen in der Rot/Blau-Verschiebung benötigt wird, können wir ausrechnen, wie lange sie für die Umlaufbahn brauchen, und ihre relativen Massen, Abstände voneinander usw. Und so weiter und so weiter.

Als (vereinfacht!) zweites Beispiel können wir die Spektren von Sternen im Zentrum unserer Galaxie messen. Wenn wir die Positionen der Sterne im Laufe der Zeit gegen die Menge der Rot- oder Blauverschiebung ihres Lichts auftragen, stellen wir fest, dass sie periodisch Verschiebungen erfahren – stärker rötlich verschoben, dann blauer verschoben. Das heißt, ihre Geschwindigkeit relativ zu uns wird größer und kleiner. Fazit: Die Sterne im Zentrum unserer Galaxie umkreisen alle etwas. Die Menge an Verschiebung und Entfernung und ein bisschen Computerarbeit lassen uns herausfinden, wie "eng" alle ihre Umlaufbahnen sind. So können wir die Masse dessen berechnen, was sie alle umkreisen. Wir können entdecken, dass das Objekt eine riesige Masse hat. Aber wir kennen auch die Größe der kleinsten Bahnen dieser Sterne. Was auch immer das Objekt ist, das sie umkreisen, es muss kleiner sein als die Umlaufbahn der Sterne, andernfalls würden die Sterne schnell an Energie verlieren und sich spiralförmig zusammenziehen/verschmelzen. Wenn Sie ein Teleskop dorthin richten, sehen Sie kein riesiges Massenobjekt - aber wir wissen, dass eines da ist. Es stellt sich heraus, dass man ein Schwarzes Loch haben müsste, um diese Menge an Masse in einen Raum dieser Größe zu bringen. Nichts anderes würde es tun. Und auf diese Weise können wir sicher sein, dass sich im Zentrum unserer Galaxie (und vieler anderer) ein großes Schwarzes Loch befindet, und seine Masse berechnen. Alles aus stellaren Rot-/Blauverschiebungsmessungen! ein großes Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie (und vieler anderer), und berechnen Sie seine Masse. Alles aus stellaren Rot-/Blauverschiebungsmessungen! ein großes Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie (und vieler anderer), und berechnen Sie seine Masse. Alles aus stellaren Rot-/Blauverschiebungsmessungen!

Update: Hubbles Gesetz des rotverschobenen Lichts und die Expansion des Universums

Um auf das OP zurückzukommen, bezieht sich die Frage speziell auf rotverschobenes Licht und "die Entscheidung, dass sich das Universum ausdehnt". Also versuche ich es mit einer kurzen Erklärung (das ist eine ganz eigene Frage!).

Vor etwa hundert Jahren formulierte Hubble sein Gesetz (genauer gesagt eine Faustregel), das besagte, dass das Licht entfernter Galaxien rotverschoben sei, und je weiter die Galaxie entfernt sei, desto rotverschobener sei das Licht. Wo Galaxien nahe genug waren, um direkt gemessen zu werden, stellte sich heraus, dass sie sich von der Erde zurückzogen.

Nun könnte dies bedeuten, dass sie sich alle mit extremer Geschwindigkeit von einem gemeinsamen Zentrum nach außen bewegten, aber es könnte viele andere Bedeutungen haben: Eine Theorie besagte, dass Materie kontinuierlich geschaffen wurde, um sie zu ersetzen (die Rate wäre sehr gering gewesen).

Obwohl der Urknall konzeptualisiert wurde, gab es tatsächlich nicht viele Beweise, und erst einige Jahrzehnte später wurden andere überwältigende Beweise (Radioastronomie, Standardmodell, kosmologische Modellierung, stellare Lebenszyklen, Expansion des Weltraums, Fusionsprozesse und unzählige andere Entdeckungen) unterstützten allmählich die Urknall-Theorie.

Wir sind jetzt aufgrund vieler verschiedener Arten von Beobachtungen und Erkenntnissen äußerst sicher, dass Licht von fernen Galaxien aufgrund der Ausdehnung des Weltraums zu niedrigeren Frequenzen rotverschoben ist, und der kosmische Mikrowellenhintergrund kann als eine extrem rotverschobene Form von Licht erkannt und identifiziert werden angeregte Wasserstoffatome, die zu Beginn unseres Universums emittiert wurden, als es etwa 370.000 Jahre alt war.

Aber es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass es von vielen Astronomen mehrere Jahrzehnte lang nicht sofort offensichtlich oder akzeptiert war, dass rotverschobenes Licht bedeutete, dass sich unser bekanntes Universum ausdehnen musste oder zu einem bestimmten Zeitpunkt begann. Die Leute stürzten sich nicht einfach auf diese Schlussfolgerung. Sie hatten extreme Rotverschiebungen, das war nicht zu leugnen - aber was bedeuteten sie? Es war nicht einmal klar, wie sich ein Universum ausdehnen könnte, wenn es das tat, oder was zu einer Ausdehnung führen könnte, wenn es das war, was zu sehen war. Es gab also viele unbefriedigende Fragen und Zweifel. Wie so oft in der Wissenschaft standen die eigentlichen Beobachtungen an erster Stelle. Um sie und ihre Bedeutung zu verstehen und Theorien zu testen, die ein Universum mit diesen Beobachtungen erklären könnten, dauerte es viele Jahre nach dieser Zeit.

Als jedoch moderne kosmologische Ideen des Urknalls als Theorie ernst genommen wurden, wurden die detaillierten Beweise, die durch rotverschobene Strahlung gewonnen wurden, zu entscheidenden Beweisen für diese beiden Ideen und für einen Großteil der modernen Kosmologie.

Die anderen Antworten (ab diesem Beitrag) beziehen sich hauptsächlich auf "Licht" ... aber die gleichen Konzepte gibt es in anderen Formen von "Wellen".

Rot/Blau-Verschiebungen und damit verbundene „Doppler-Effekte“

Ich möchte damit verbundene Ideen hinzufügen, die Sie buchstäblich hören können: Sirenen und Zughörner.

Die Grundidee von „Verschiebungen“ ist, dass sich die Wellen, die du siehst, hörst und erlebst, ändern, je nachdem, wie sie in Bezug auf dich erzeugt werden.

Etwas sieht/klingt anders/fühlt sich anders an, wenn es auf dich zukommt... als wenn es von dir weggeht. Das liegt daran, dass Sie kürzere oder längere "Wellen" erleben

https://www.space.com/25732-redshift-blueshift.html

Rotverschiebung und Blauverschiebung beschreiben, wie sich Licht zu kürzeren oder längeren Wellenlängen verschiebt, wenn sich Objekte im Weltraum (wie Sterne oder Galaxien) näher oder weiter von uns entfernen. Das Konzept ist der Schlüssel zur Kartierung der Expansion des Universums.

Sichtbares Licht ist ein Farbspektrum, das jedem klar ist, der einen Regenbogen betrachtet hat. Wenn sich ein Objekt von uns entfernt, wird das Licht zum roten Ende des Spektrums verschoben, da seine Wellenlängen länger werden. Wenn sich ein Objekt nähert, bewegt sich das Licht zum blauen Ende des Spektrums, da seine Wellenlängen kürzer werden.

Um sich das klarer vorzustellen, schlägt die Europäische Weltraumorganisation vor, stellen Sie sich vor, Sie lauschen einer Polizeisirene, während das Auto auf der Straße an Ihnen vorbeirast.

„Jeder hat die zunehmende Tonhöhe einer sich nähernden Polizeisirene und die scharfe Abnahme der Tonhöhe gehört, wenn die Sirene vorbeifährt und sich zurückzieht. Der Effekt entsteht, weil die Schallwellen enger zusammen am Ohr des Zuhörers ankommen, wenn sich die Quelle nähert, und weiter auseinander, wenn sie sich nähert zurückgeht", schrieb die ESA.

Die „Rot/Blau-Verschiebungen“ sind die gleichen grundlegenden Effekte, die Sie erfahren, wenn Sie einen Unterschied zwischen etwas hören, das auf Sie zukommt, oder sich entfernt. Diese Änderung ist wahrnehmbar – und messbar – und die erwartete „Welle“ gegenüber der erkannten „Welle“ ist eine wertvolle Information.