Subtile ændringer i stjernelysets farve lader astronomer finde planeter, måle galaksernes hastigheder og spore universets udvidelse.
Astronomer bruger rødforskydninger for at spore rotationen af vores galakse, drille den subtile slæbebåd fra en fjern planet på dens moderstjerne og måle universets ekspansionshastighed. Hvad er en rødskift? Det sammenlignes ofte med den måde, en politibetjent fanger dig på, når du er i fart. Men i tilfælde af astronomi kommer disse svar alle fra vores evne til at opdage små ændringer i lysets farve.
Politi og astronomer er begge afhængige af et princip kaldet Doppler-skiftet. Det er noget, du har oplevet, mens du står i nærheden af et forbipasserende tog. Når toget nærmer sig, hører du hornet blæse på en bestemt tonehøjde. Pludselig, når toget passerer, falder banen. Hvorfor afhænger hornhøjden, hvor toget er?
Lyd kan kun bevæge sig så hurtigt gennem luften - ca. 1.200 kilometer i timen (ca. 750 miles i timen). Når toget skynder sig frem og blæser i sit horn, klemmes lydbølgerne foran toget sammen. I mellemtiden spreder lydbølgerne bag toget sig. Dette betyder, at frekvensen af lydbølgerne nu er højere foran toget og lavere bag det. Vores hjerner fortolker ændringer i lydfrekvensen som ændringer i tonehøjden. For en person på jorden starter hornet højt, når toget nærmer sig og går derefter lavt, når toget trækker sig tilbage.
Når en bil bevæger sig, klemmes lydbølger foran den, mens de bagved spredes ud. Dette ændrer den oplevede frekvens, og vi hører tonehøjden ændre sig, når bilen går. Kredit: Wikipedia
Lys er ligesom lyd også en bølge, der sidder fast med en fast hastighed - en milliard kilometer i timen - og spiller derfor efter de samme regler. Med undtagelse af lys opfatter vi ændringer i frekvens som ændringer i farve. Hvis en lyspære bevæger sig meget hurtigt gennem rummet, vises lyset blåt, når det nærmer sig dig og bliver derefter rødt, efter at det passerer.
Måling af disse små ændringer i lysfrekvensen lader astronomer måle hastigheden på alt i universet!
Ligesom lyde fra en bevægelig bil, når en stjerne bevæger sig væk fra os, bliver lyset rødere. Når det bevæger sig mod os, bliver lyset blåere. Kredit: Wikipedia
Selvfølgelig er det lidt vanskeligere at foretage disse målinger end bare at sige ”den stjerne ser rødere ud end den burde være.” I stedet bruger astronomer markører i spektret af stjernelys. Hvis du skinner en lommelygtestråle gennem et prisme, kommer en regnbue ud på den anden side. Men hvis du placerer en klar beholder fyldt med brintgas mellem lommelygten og prismet, ændres regnbuen! Huller vises i det glatte kontinuum af farver - steder, hvor lyset bogstaveligt talt mangler.
De mørke absorptionslinjer for en stjerne i hvile (venstre) forskydes mod rød, hvis stjernen bevæger sig væk fra Jorden (højre). Kredit: Wikipedia
Hydrogenatomerne er indstillet til at absorbere meget specifikke lysfrekvenser. Når lys bestående af mange farver forsøger at passere gennem gassen, fjernes disse frekvenser fra strålen. Regnbuen bliver fyldt med hvad astronomer kalder absorptionslinjer. Udskift brintet med helium, så får du et helt andet mønster af absorptionslinjer. Hvert atom og molekyle har en særskilt absorptionsfinger, der tillader astronomer at drille den kemiske sammensætning af fjerne stjerner og galakser.
Når vi passerer stjernelys gennem et prisme (eller lignende enhed), ser vi en skov med absorptionslinjer fra brint, helium, natrium og så videre. Hvis denne stjerne dog kaster sig væk fra os, gennemgår alle disse absorptionslinjer et Doppler-skift og bevæger sig mod den røde del af regnbuen - en proces kaldet redshifting. Hvis stjernen vender sig og nu flyver mod os, sker det modsatte. Dette kaldes ikke overraskende blueshifting.
Ved at måle, hvor langt linjemønsteret bevæger sig fra det, det antages at være, kan astronomer præcist beregne stjernens hastighed i forhold til Jorden! Med dette værktøj afsløres universets bevægelse, og en række nye spørgsmål kan undersøges.
Tag det tilfælde, hvor absorptionslinjerne for en stjerne regelmæssigt skifter mellem blåskift og rødskift. Dette indebærer, at stjernen bevæger sig mod os og væk fra os - igen og igen og igen. Det fortæller os, at stjernen vugger frem og tilbage i rummet. Dette kunne kun ske, hvis der var noget uset, der trak stjernen rundt. Ved nøje at måle, hvor langt absorptionslinjerne skifter, kan en astronom bestemme massen af den usynlige ledsager og dens afstand fra stjernen. Og sådan har astronomer fundet næsten 95% af de næsten 800 kendte planeter, der kredser om andre stjerner!
Når en planet kredser om en stjerne, trækker den stjernen frem og tilbage. Astronomer ser stjernens bevægelse som en skiftevis rød og blå forskydning af dens spektrum. Kredit: ESO
Ud over at finde cirka 750 andre verdener, førte rødskift også til en af de vigtigste opdagelser i det 20. århundrede. I 1910'erne bemærkede astronomer ved Lowell Observatory og andre steder, at lyset fra næsten enhver galakse blev forskudt. Af en eller anden grund kørte de fleste galakser i universet væk fra os! I 1929 matchede den amerikanske astronom Edwin Hubble disse rødskift med afstandestimater til disse galakser og afslørede noget bemærkelsesværdigt: jo længere væk en galakse er, jo hurtigere går den tilbage. Hubble havde snublet over en forbløffende sandhed: universet ekspanderede ensartet! Hvad blev kendt som kosmologisk rødskift var det første stykke af Big Bang-teorien - og i sidste ende en beskrivelse af oprindelsen af vores univers.
Edwin Hubble fandt en sammenhæng mellem afstand til en galakse (vandret akse) og hvor hurtigt den bevæger sig væk fra Jorden (lodret akse). Bevægelsen af galakser i en nærliggende klynge tilføjer en vis støj til dette plot. Kredit: William C. Keel (via Wikipedia)
Redshifts, den subtile bevægelse af bittesmå mørke linjer i en stjernespektrum, er en grundlæggende del af astronomens værktøjssæt. Er det ikke bemærkelsesværdigt, at princippet bag noget så dagligdags som det skiftende toneleje for et forbipasserende toghorn ligger til grund for vores evne til at se galakser snurre, finde skjulte verdener og dele sammen hele kosmos historie?