Woher kannte Hubble den Rotverschiebungsunterschied zwischen „wegziehen“ und „alt“?

Die „Rotverschiebungs“-Messungen, die Hubble zur Bestimmung seines Gesetzes verwendete, basieren auf der Betrachtung des Spektrums entfernter Galaxien. Das heißt, das vom Objekt kommende Licht wird in seine einzelnen Farben zerlegt (z. B. indem es durch ein Prisma geleitet wird). Wenn Sie sich ein solches Spektrum ansehen, werden Sie feststellen, dass bestimmte Linien (Farben) fehlen. Dies sind sogenannte Absorptionslinien und entsprechen den physikalischen Eigenschaften bestimmter Atome im Objekt. Die Position dieser Linien wird durch die Physik bestimmt und ist universell; sie sind für alle Objekte gleich.

Wenn Sie sich jedoch das Spektrum eines entfernten Objekts ansehen, stellen Sie fest, dass alle diese Linien ein wenig in Richtung Rot verschoben sind. Durch den Vergleich mit den Absorptionslinien von Gasen auf der Erde können wir feststellen, wie weit die Linien verschoben sind, die sogenannte "Rotverschiebung".

Dies unterscheidet sich stark von der Rötung älterer Sterne. Wenn die Sterne älter werden, kühlen sie ab, was bedeutet, dass das Licht, das sie aussenden, mehr rotes Licht hat (vergleiche mit einem Feuer, das hellgelb brennt, wenn es heiß ist, und ein dunkleres Rot, wenn es abkühlt). Diese Verschiebung wirkt sich auf die Gesamtverteilung des emittierten Lichts aus, beeinflusst aber vor allem nicht die Absorptionslinien, die an der gleichen Stelle (Farbe) bleiben.

Um dies zu zeigen, sind hier zwei Spektren aus BBC-Revisionsnotizen für Prüfungen, die im Alter von 16 Jahren abgelegt wurden .

Spektrum von der Sonne:

Spektrum aus einer fernen Galaxie:

Sie können sehen, dass sich die Linien in letzterem zum roten Ende hin verschoben haben.

Haftungsausschluss: Ich bin kein Astronom oder Physiker. Ich freue mich über Korrekturen oder Klarstellungen.

Sternfarbe

Das Licht von Sternen und Galaxien hat eine Farbe. Bei Sternen, die nah genug und hell genug sind, können Sie ihre Farbe mit Ihren Augen sehen, indem Sie in einer klaren Nacht ¹ nach oben schauen . Galaxien sind so dunkel, dass sie unseren Augen selbst beim Blick durch ein Teleskop nur grau erscheinen. Aber wenn Sie eine Kamera verwenden und die Belichtung lang genug einstellen, wird die Kamera auch die Farbe der Galaxien einfangen.

Das ist die Farbe, von der wir sprechen, wenn wir sagen, dass die Sterne mit zunehmendem Alter röter werden. Es ist die Farbe, die wir mit unseren Augen sehen.

Rotverschiebung

Licht ist eine Welle ² und unterliegt ebenso wie Schall dem Doppler-Effekt . Denken Sie an das Geräusch eines Autos, das an Ihnen vorbeifährt. Die Tonlage seines Motors beginnt hoch und fällt dann tief ab. Es beginnt hoch, weil die Schallwellen komprimiert werden, wenn sich das Auto auf Sie zubewegt. Wenn es vorbeizoomt, hören Sie, wie es sich nach unten verschiebt. Das Auto fährt jetzt von Ihnen weg, also werden die Schallwellen gestreckt.

Licht hat auch eine Wellenlänge. Die Wellenlänge des Lichts ist seine Farbe. Wenn sich etwas auf Sie zubewegt, wird Licht in seiner Wellenlänge komprimiert, wodurch die Farbe von ihrem Ausgangspunkt in die blauere Richtung des Spektrums verschoben wird. Wenn sich etwas von Ihnen wegbewegt, wird Licht emittiert, dessen Wellenlänge gestreckt wird und die Farbe röter verschiebt.

Das sind Rotverschiebung und Blauverschiebung.

Sternfarbe vs. Rotverschiebung: Wie man sie auseinanderhält

Wie können wir feststellen, ob die Farbe eines Sterns vom Stern selbst stammt oder nur rotverschoben wurde, weil er sich von uns wegbewegt?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir eine kleine Nebenquest machen und über Spektrallinien sprechen.

Woher wissen wir, woraus Sterne bestehen?

Wir wissen, dass Sterne hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium sowie kleineren Mengen anderer Elemente bestehen. Aber woher wissen wir das?

Wenn Sie weißes Licht durch ein Prisma leiten, wird das einfallende Licht ein wenig gebeugt – es wird gebrochen – und das austretende Licht wird in einen Regenbogen aufgeteilt. Der Lichtbogen, der aus einem Prisma kommt, wird als Spektrum bezeichnet .

Es stellt sich heraus, dass Atome glühen, wenn man sie erhitzt ³ . Jedes Element – ​​jede einzigartige Art von Atom – leuchtet in einer bestimmten Lichtfarbe. Wenn Sie Natrium oder ein anderes Element auf eine Temperatur erhitzen, die ausreicht, um es zum Leuchten zu bringen, und dieses Licht dann durch ein Prisma leiten, ist das Spektrum, das herauskommt, KEIN vollständiger Regenbogen. Stattdessen sind es nur Scheiben des Regenbogens, die so dünn sind, dass sie wie Linien aussehen, die wir Spektrallinien nennen . Wichtig ist, dass jedes Element einen einzigartigen Satz von Linien erzeugt, der sich von allen anderen Elementen unterscheidet. Dasselbe Element erzeugt immer dieselben Linien. Sie sehen so aus:

Fassen wir zusammen, was wir bisher wissen.

1. Atome geben Licht ab, wenn sie erhitzt werden.
2. Mit einem Spektrometer (der wissenschaftlichen Instrumentenversion eines Prismas ⁴ ) können wir das Licht in sein Spektrum zerlegen.
3. Wir können dieses Spektrum verwenden, um zu identifizieren, welche Elemente im Stern vorhanden sind.

Jetzt haben wir also alle Werkzeuge, um herauszufinden, woraus Sterne bestehen! Führen Sie einfach das Licht von einem Stern durch ein Spektrometer und verwenden Sie das resultierende Spektrum, um zu sehen, welche Elemente vorhanden sind, basierend auf den erzeugten Spektrallinien ⁵ .

Ordentlich, oder?

Alles zusammenbinden

Jetzt wissen wir genug, um zu verstehen, wie Astronomen den Unterschied zwischen der Farbe eines Sterns oder einer Galaxie und ihrer Rotverschiebung erkennen können.

1. Wir wissen, dass die im Spektrum eines Sterns vorhandenen Spektrallinien den im Stern vorhandenen Elementen entsprechen.
2. Wenn sich der Stern von uns entfernt, werden die Spektrallinien um einen Betrag rotverschoben, der der Geschwindigkeit entspricht, mit der sich der Stern zurückzieht.
3. Aber die Spektrallinien erscheinen immer noch in einem erkennbaren Muster: Die Breite der Linien und der Abstand zwischen ihnen entsprechen immer noch den Elementen, die im Stern vorhanden sind. Sie sind nur gleichmäßig röter verschoben als die Spektrallinien, die normalerweise von diesen Elementen erzeugt werden.
4. Aus dem Muster der Spektrallinien können wir die Zusammensetzung des Sterns erkennen.
5. Anhand der Blau- bzw. Rotverschiebung der Spektrallinien können wir die Richtung und Geschwindigkeit erkennen, in die es sich auf uns zu- oder von uns wegbewegt. Das heißt, wie weit die Linien von der Position entfernt sind, an der sie sich befinden sollten, basierend auf der Komposition von #4.
6. Wir können die wahre Farbe des Sterns ⁶ identifizieren , indem wir die Rot- oder Blauverschiebung kompensieren.

¹ Auf den ersten Blick scheinen die Sterne alle weiß zu sein, aber wenn Sie etwas genauer hinsehen, werden Sie feststellen, dass sie leicht rot, blau, gelb, orange und weiß sind. Wenn Sie es einmal gesehen haben, ist es schwer, es nicht mehr zu sehen!

² Licht ist auch ein Teilchen. Licht ist seltsam und fantastisch kompliziert.

³ Es ist sogar noch cooler als das. Alles leuchtet, die ganze Zeit ! Nennt sich Wärmestrahlung . Die "Farbe" oder Wellenlänge des Lichts, das das Ding aussendet, hängt von seiner Temperatur ab. Sogar Menschen leuchten! So funktionieren Nachtsichtkameras. Sie können das von Ihnen abgegebene Infrarotlicht sehen. Die einzige Möglichkeit, nicht zu glühen, besteht darin, eine Temperatur von –273,15 ° C zu haben, was 0 K entspricht, bekannt als absoluter Nullpunkt .

⁴ Allgemeiner kann man Licht mit einem Spektrometer in sein Spektrum zerlegen. Ein Prisma ist für ein Spektrometer, was eine Linse für eine Kamera ist. Technisch gesehen verwenden Spektrometer anstelle eines Prismas ein Beugungsgitter. Ein Prisma zerlegt Licht in seine einzelnen Farben, weil es eine Art Beugungsgitter ist.

⁵ Ich überspringe einige Details wie den Unterschied zwischen Emissionsspektren und Absorptionsspektren , aber es spielt für die Zwecke dieser Diskussion meistens keine Rolle. Mein Beispiel zeigt ein Emissionsspektrum, aber die Antwort von mmeent zeigt ein Absorptionsspektrum, von dem ich glaube, dass Astronomen es tatsächlich verwenden würden, wenn sie Sterne und Galaxien betrachten. Ich erwähne es hauptsächlich, um zu erklären, warum die beiden Beispiele wie umgekehrte Versionen voneinander aussehen.

⁶ Tatsächlich müssen wir dies selten tun. Die Zusammensetzung sagt uns viel mehr über den Stern aus, als es seine Farbe allein tun würde. Aber im Prinzip haben wir genug Informationen, um auch seine wahre Farbe zu kennen.

Auf einer kleinen Skala sind einige Sterne rotverschoben und einige sind blauverschoben. Wenn wir jedoch über größere Maßstäbe blicken, gibt es einen allgemeinen Trend, dass Sterne immer weiter und weiter von uns entfernt rotverschoben werden, und zwar in größeren Mengen. Dies steht im Einklang mit einer Ausdehnung des Universums, ist aber mit Temperaturangaben schwer zu erklären; Warum sollten Sterne, die weiter von uns entfernt sind, kälter sein? Die Expansion des Universums ist isotrop, was bedeutet, dass es von jedem Punkt aus gleich aussieht; Wir sehen eine andere Galaxie, die sich von uns entfernt und rotverschoben ist, aber diese Galaxie sieht, wie wir uns von ihnen entfernen, und misst uns als rotverschoben. Ein Temperaturgradient wäre anisotrop; Jeder Beobachter im Universum würde zustimmen, dass sich die Erde in einer speziellen Hochtemperaturzone befindet.

Andere Galaxien mit niedrigeren Temperaturen würden auch einfach nicht mit dem übereinstimmen, was wir über Astronomie wissen. Unterschiedliche astronomische Körper neigen dazu, sich in unterschiedlichen Temperaturbereichen zu befinden. Wenn weit von uns entfernte Sterne kälter wären, würden sie außerhalb der normalen Bereiche der Sterntemperaturbereiche liegen. Außerdem senden astronomische Körper Licht nicht nur in einer Frequenz aus, sondern in einem ganzen Spektrum. Diese Spektren zeigen bestimmte Muster, wie z. B. eine niedrigere Amplitude bei bestimmten Frequenzen. Der Begriff "rotverschoben" bezieht sich darauf, wie dieses gesamte Spektrum verschoben ist: Es hat das gleiche Muster, nur an verschiedenen Stellen. Angenommen, Sie hören zwei Musiker und Sie hören von jedem Musiker eine Note. Wenn diese Noten unterschiedlich klingen, können Sie nicht sagen, ob dies daran liegt, dass sie unterschiedliche Noten gespielt haben oder sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Aber wenn beide einen ganzen Song spielen, ist es leicht zu sagen, ob es derselbe Song ist oder nicht. Ein Stern, der sich von uns entfernt, erklärt, warum er dasselbe „Lied“ hat, aber in einer anderen „Tonlage“. Ein Stern mit einer anderen Temperatur erklärt es nicht.