For en astronom, er lys et tæt pakket bundt af information, der, når det spredes i sine bølgelængder, kan afsløre et væld af oplysninger om den fysiske tilstand på materialer der befinder sig enormt langt væk. Lys kan for eksempel bruges til at måle et af de mest enkle spørgsmål om et fjernt himmellegeme: bevæger det sig væk fra os eller mod os og med hvilken hastighed?
Du har med sikkerhed stået udenfor og lyttet, mens en ambulance drønede forbi med fuld udrykning. Du bemærkede måske noget sjovt om den måde hvorpå sirenen lød. Da ambulancen kom i mod dig, havde dens sirene en vis høj tone; men som den passerede dig, faldt denne tone. Hvis du havde haft lukket øjnene mens du lyttede, ville du ikke have haft problemer med at vide, hvornår ambulancen havde passeret dig. Du behøver ikke engang bruge en ambulance for at høre denne effekt. Lyden af normal trafik, opfører sig på samme måde. Som en bil kører forbi, falder tonen på den lyd bilen laver, pludseligt.
Stigningen af tonen i en lyd, er ligesom farven på lyset. Den bestemmes af bølgelængden, eller ækvivalent, af frekvensen af lydbølgen. Hvad du opfatter som en højere tone, svarer til lydbølger med højere frekvenser og lavere bølgelængder. Lyde, som du opfatter som en lavere tone, er bølger med lavere frekvenser og længere bølgelængder. Når et objekt bevæger sig mod dig, ”klumper” bølgerne det afgiver, sig sammen foran objektet. Figur 4.17, viser placeringen af på hinanden følgende bølgetoppe, der afgives af et objekt i bevægelse. Hvis du står foran et objekt, som det bevæger sig i mod dig, har bølgerne der når dig en kortere bølgelængde og dermed højere frekvens, end bølgerne der afgives af objektet når det ikke er i bevægelse. I tilfældet med lydbølger, har den lyd der når dig fra objektet, en højere tone, end lyde der afgives af objektet hvis det stod stille. Omvendt er det, hvis et objekt bevæger sig væk fra dig, så er bølgerne der når dig spredt ud. I tilfældet med lyd betyder det, at tonen bliver lavere, præcis som med din erfaring med ambulancen. Dette fænomen omtales som Dopplereffekten, opkaldt efter fysikeren Christian Doppler (1803 – 1853).
Dopplereffekten opstår for lys, såvel som for lyd. Bølgelængden af lyset som målt fra kildens referenceramme, er dets hvile bølgelængde (λhvile), som vist i figur 4.18a. Hvis et objekt bevæger sig mod dig, er bølgelængden på det lys der når dig fra objektet, kortere end dets hvilebølgelængde. Med andre ord, er det lys som du ser, skiftet til kortere bølgelængder – eller er mere blåt, end hvis kilden ikke bevægede sig mod dig. Lyset fra et objekt der bevæger sig mod dig, er således beskrevet som blåforskudt (se figur 4.18b). Modsætning hertil, er lys fra en kilde, der bevæger sig væk fra dig. Her bliver lyset forskudt til længere bølgelængder. Det lys du ser, er altså rødere end hvis kilden ikke havde bevæget sig væk fra dig. Lyset fra en kilde der bevæger sig væk fra dig, er således beskrevet som rødforskudt (se figur 4.18c). Den størrelse hvormed lysets bølgelængde forskydes med ved Dopplereffekten, kaldes for Doppler-forskydningen af lyset.
Variablen vr står for radial hastighed, hvilket er den hastighed, hvormed afstanden mellem dig og objektet er under forandring. Så længe hastigheden af et objekt er meget mindre end lysets hastighed, er den observerede bølgelængde af det Dopplerforskudte lys, λobs, givet ved følgende ligning:
I denne ligning, er λhvile lig med hvile bølgelængden for lyset. Hastigheden vr, er hastigheden hvormed objektet bevæger sig i forhold til observatøren. For at være mere præcis, er vr den hastighed, hvormed afstanden mellem observatøren og objektet ændrer sig. Hvis vr er positiv, fjerner objektet sig fra observatøren. Hvis vr er negativ, nærmer objektet sig observatøren.
Brug et øjeblik, på at sikre dig, at denne ligning giver mening for dig. Hvis et objekt bevæger sig væk fra dig, bliver bølgelængen af det lys der kommer til dig fra objektet længere, end hvis objektet var i hvile (ikke bevæger sig i forhold til dig). Hvis objektet bevæger sig væk fra dig, er vr større end 0. Hvis vr er større end nul, så er 1 + vr / c større end 1, og derfor er λobs = (1 + vr / c) · λhvile større end λhvile, så du ser en rødforskydning. Hvad med det modsatte tilfælde? Hvis et objekt bevæger sig mod dig, er vr mindre end 0, så λobs = (1 + vr / c) · λhvile er mindre end 0. I dette tilfælde er λobs kortere end λhvile. Fordi den observerede bølgelængde er kortere en hvilebølgelængden, så ser du en blåforskydning.
Doppler-forskydning, bliver især nyttig, når du kigger på et objekt som har emissions- eller absorptionslinjer i dets spektrum (se Matematiske værktøjer 4.2). Disse spektrallinjer, sætter astronomerne i stand til at afgøre, hvor hurtigt objektet bevæger sig mod eller væk fra Jorden. For at kunne bestemme hastigheden, må astronomerne først identificere den spektrallinjen til at være fra et bestemt kemisk grundstof, der har en unik hvile bølgelængde (λhvile), målt i et laboratorium her på Jorden. De måler derefter den observerede bølgelængder (λobs) for spektret for det fjerne objekt. Forskellen mellem hvile bølgelængden og den observerede bølgelængde, bestemmer objektets radiale hastighed. Ved at ændre lidt på den foregående ligning, fås nu denne ligning:
Hvis du kender λhvile, skal du blot måle λobs, putte begge værdier ind i denne ligning, og du vil kunne beregne hvad vr er.