Rödförskjutning

Fysik nivå 2

Ljus från nästan alla galaxer vi kan observera är förskjutet mot längre våglängder jämfört med hur det såg ut när det sändes ut. Det kallas rödförskjutning, eftersom rött ljus har längre våglängd än blått. Man mäter det genom att jämföra var en atoms kända spektrallinjer, bestämda i laboratoriet, hamnar i galaxens ljus. Flyttas linjerna mot längre våglängder är ljuset rödförskjutet; flyttas de mot kortare våglängder kallas det blåförskjutning.

År 1929 visade astronomen Edwin Hubble, med hjälp av tidigare mätningar av galaxernas rödförskjutning, att rödförskjutningen blir större ju längre bort galaxen är. Sambandet kallas Hubbles lag: v = H₀·d, där v är galaxens hastighet bort från oss, d är avståndet, och H₀ är Hubble-konstanten, omkring 70 km/s per megaparsek. Ju längre bort en galax är, desto snabbare verkar den röra sig ifrån oss.

Det är lockande att tro att galaxerna flyger genom en redan existerande rymd, som en ambulans som kör ifrån dig. För avlägsna galaxer beror rödförskjutningen i stället på att själva rymden expanderar mellan oss och dem. Den effekten kallas kosmologisk rödförskjutning. Eftersom expansionen sker överallt samtidigt ser en tänkt observatör i en helt annan galax exakt samma mönster: allt runt omkring verkar röra sig bort. Det betyder inte att vi, eller någon annan, befinner oss i universums mittpunkt.

Regeln gäller statistiskt för galaxer på stora avstånd, inte för varje enskild galax. Andromedagalaxen, vår närmaste stora granngalax, är i stället blåförskjuten, eftersom den och Vintergatan dras mot varandra av gravitationen och närmar sig varandra. Rödförskjutningen hos de avlägsna galaxerna är ändå ett av de starkaste bevisen för att universum expanderar, och den gör det möjligt att bestämma avstånd till galaxer långt bortom räckhåll för andra metoder.

Formler

v = H₀·d

Hubbles lag: hastigheten v (km/s) som en galax tycks röra sig bort från oss, lika med Hubble-konstanten H₀ (omkring 70 km/s per megaparsek) multiplicerad med avståndet d (megaparsek). Sambandet gäller för avlägsna galaxer, där rymdens expansion dominerar över galaxernas egna rörelser.

z = Δλ/λ₀

Rödförskjutningen z är skillnaden Δλ mellan observerad våglängd och ursprunglig våglängd λ₀, delad med λ₀. z saknar enhet. För hastigheter mycket mindre än ljusets gäller ungefär z ≈ v/c.

Det här lär du dig

Förklara vad rödförskjutning är och hur den mäts med spektrallinjer
Tillämpa Hubbles lag v = H₀·d för att beräkna en galax hastighet eller avstånd
Skilja på vanlig rörelse-doppler och kosmologisk rödförskjutning orsakad av rymdens expansion
Förklara varför rödförskjutningen inte betyder att vi befinner oss i universums mittpunkt

Begrepp att kunna

Rödförskjutning: Förskjutning av ljusets våglängd mot längre våglängder, mätt genom jämförelse med kända spektrallinjer. Hos avlägsna galaxer orsakas den huvudsakligen av att rymden expanderar.
Blåförskjutning: Förskjutning av ljusets våglängd mot kortare våglängder, som uppstår när källan och observatören närmar sig varandra.
Spektrallinjer: Våglängder där en viss atom sänder ut eller absorberar ljus. De kända positionerna, uppmätta i laboratoriet, används som referens för att upptäcka rödförskjutning.
Hubbles lag: Sambandet v = H₀·d: hastigheten med vilken en avlägsen galax rör sig bort från oss är proportionell mot dess avstånd från oss.
Hubble-konstanten: Proportionalitetskonstanten i Hubbles lag, omkring 70 km/s per megaparsek.
Kosmologisk rödförskjutning: Rödförskjutning som uppstår för att rymden själv expanderar mellan källa och observatör, inte för att källan rör sig genom en oföränderlig rymd.

Vanliga svårigheter

Tror att vi befinner oss i universums mittpunkt

Eftersom nästan alla galaxer verkar röra sig bort från oss är det lätt att tro att vi sitter i mitten. I verkligheten expanderar rymden överallt samtidigt, så en observatör i en helt annan galax skulle se exakt samma mönster: allt runt omkring rör sig bort från just den platsen.

Tror att rödförskjutningen bara beror på att galaxen rör sig genom rymden

En källa som rör sig genom rymden ger en vanlig rörelse-doppler, som för ljud från en ambulans. Men för avlägsna galaxer kommer det allra mesta av rödförskjutningen i stället från att rymden själv expanderar mellan oss och galaxen under tiden ljuset är på väg. Det är en annan mekanism än att objektet flyger iväg genom en fast rymd.

Tror att rödförskjutning betyder att galaxen faktiskt är röd

Rödförskjutning är en förändring av våglängden, inte en färg hos galaxen. Alla delar av ljuset flyttas mot längre våglängder, inte bara det som redan var rött. En stor rödförskjutning kan till och med flytta ultraviolett ljus hela vägen in i det infraröda området.

I verkligheten

Andromedagalaxen, vår närmaste stora granngalax, är blåförskjuten i stället för rödförskjuten.

Andromeda och Vintergatan dras mot varandra genom gravitation och rör sig mot varandra snabbare än rymdens expansion drar isär dem på det korta avståndet. Hubbles lag beskriver det genomsnittliga mönstret för avlägsna galaxer, inte varje enskilt par av grannar.

Astronomer kartlägger positionerna för miljoner galaxer genom att mäta deras rödförskjutning med spektrografer på stora teleskop.

Via Hubbles lag ger rödförskjutningen ett avstånd utan att man behöver se enskilda stjärnor i galaxen. Det gör det möjligt att bestämma avstånd till galaxer långt bortom räckhåll för parallax eller standardljus.

Tips

Tänk på en bulle med russin som jäser i ugnen: varje russin rör sig längre bort från varje annat russin när degen växer, utan att något russin sitter i mitten. Det är en bättre bild av expansionen än att tänka på galaxer som flyger ut från en explosion.
Rita ett diagram med avstånd på den ena axeln och hastighet på den andra, och plotta några galaxer. Hubbles lag ger en rät linje genom origo, och lutningen på linjen är Hubble-konstanten.
Räkna igenom ett par exempel på z = Δλ/λ₀ för hand med olika uppmätta våglängder, så att du ser hur en större förskjutning ger ett större z, en högre hastighet och, enligt Hubbles lag, ett större avstånd.

Testa dig själv

1. En spektrallinje från väte, normalt vid 656 nanometer, observeras vid 750 nanometer i ljuset från en avlägsen galax. Beräkna rödförskjutningen z.

z = Δλ/λ₀ = (750 − 656)/656 = 94/656 ≈ 0,14. Det innebär att galaxens ljus är förskjutet med ungefär 14 procent av sin ursprungliga våglängd.

2. En galax ligger 100 megaparsek bort. Med H₀ = 70 km/s/Mpc, hur snabbt verkar galaxen röra sig bort från oss enligt Hubbles lag?

v = H₀·d = 70 km/s/Mpc · 100 Mpc = 7 000 km/s, vilket är omkring 2,3 procent av ljusets hastighet.

3. Andromedagalaxen är blåförskjuten. Betyder det att Hubbles lag är fel?

Nej. Hubbles lag beskriver det genomsnittliga beteendet hos avlägsna galaxer, där rymdens expansion dominerar. Andromeda ligger så nära att gravitationen mellan den och Vintergatan är starkare än expansionens effekt på det avståndet, så de två galaxerna rör sig mot varandra i stället för isär.

Ur kursplanen

Fysik nivå 2 · Universum, materien och strålning
Huvuddragen i universums utveckling och struktur, till exempel stjärnbildning och exoplaneter.
Fysik nivå 2 · Universum, materien och strålning
Metoder för undersökning av universum. Elektromagnetisk strålning från stjärnor och interstellära rymden.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Träna fysik gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än, men du kan träna på andra ämnen för din nivå.

Börja träna