I vores beskrivelse af Dopplerforskydningen i kapitel 4, bemærkede vi at (λobs – λhvile)/ λhvile er lig med hastigheden for et objekt der bevæger sig væk fra os, divideret med lysets hastighed. I dette kapitel, har vi set hvordan Edwin Hubble brugte dette resultat, til at fortolke den observerede rødforskydning af galakser som bevis for, at galakser gennem hele universet, bevæger sig væk fra Mælkevejen. Einsteins specielle teori for relativitet siger, at intet kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed. Hubble antog indledningsvis, at rødforskydning var på grund af Dopplereffekten. Ren resulterende relation, z = v2/c, ville da synes at indebære, at intet objekt kan have rødforskydninger (z) der er større end 1. Det er dog ikke tilfældet. Astronomer observere på rutinebasis, rødforskydninger der væsentligt overstiger 1. På det tidspunkt hvor denne bog skrives, har de fjernest observerede objekter, rødforskydninger på så meget som 9 og 10. Hvordan kan rødforskydningen overstige 1?
For at komme frem til udtrykket for Dopplereffekten, vr/c = (λobs – λhvile)/ λhvile, må vi antage at vr er meget mindre end c. Hvis vr var tæt på c, var vi nødt til at overveje mere end det faktum, at bølgerne fra et objekt bliver strakt ud af objektets bevægelse væk. Vi var også nødt til at overveje de relativistiske effekter, herunder det faktum, at ure i bevægelse går langsommere (se Matematiske Værktøjer 17.1). Når vi samler disse effekter, vil vi opdage, at når et objekts hastighed nærmer sig lysets hastighed, nærmer objektets rødforskydning sig det uendelige (se figur 18.14).
En anden kilde til rødforskydning er gravitationel rødforskydning, der blev beskrevet i kapitel 17. Når lys bevæger sig ud fra en dybt inde i en tyngdekilde, mister det energi, så fotonerne forskydes mod længere og længere bølgelængder. Hvis tyngdebrønden er dyb nok, kan den observerede rødforskydning af denne stråling, være uendelig stor. Faktisk er begivenhedshorisonten for et sort hul – det vil sige overfladen omkring et sort hul, hvorfra ikke engang lys kan undslippe – der hvor den gravitationelle rødforskydning bliver uendelig stor.
Kosmologisk rødforskydning, der er den mest relevante for dette kapitel, skyldes størrelsen på den ”strækning” som rummet har undergået igennem den tid, som det har taget lyset at nå Jorden fra det blev udsendt fra dets oprindelige kilde. Størrelsen af denne strækning, er givet ud fra faktoren 1+z. Når astronomer observerer lys fra en fjern galakse, hvis rødforskydning er z = 1, så er bølgelængden af dette lys, to gange så lang, som da det forlod galaksen der observeres. Da lyset forlod dets kilde, var universet halvt så stort som i dag. Når de observerer lys fra en galakse med z = 2, er strålingens bølgelængde tre gange dens oprindelige bølgelængde, og de observerer universet da det var en tredjedel af dets nuværende størrelse.
Dette direkte forhold, gør det muligt for astronomerne, at bruge galaksens observerede rødforskydning, til at beregne universets størrelse på det tidspunkt hvor galaksens lys blev udsendt. Tilnærmelsesvis betyder dette, at afstanden og tiden der ses tilbage, er proportional med z. Som de kigger tilbage tættere og tættere på Big Bang, stiger rødforskydningen imidlertid hurtigere og hurtigere.
Skrevet som en ligning, er universets skaleringsfaktor som astronomer ser, når de observere en fjern galakse lig med 1, divideret med 1 plus galaksens rødforskydning:
Dopplers originale formel, er essentielt korrekt – for relativt nære objekter hvis målte hastigheder er meget mindre end lysets hastighed. I dette tilfælde, vr/c = (λobs – λhvile)/ λhvile. Når astronomer ser på bevægelserne for dobbeltstjerners kredsløb, eller galakser relative til Hubble flowets særegne hastigheder, virker denne ligning fint nok. Men hver gang man har en rødforskydning på 0,4 eller mere, skal der tages hensyn til relativiteten.
Figur 18.14 – Aftegning af rødforskydning (z) for et objekt, i forhold til dets recessionshastighed (vr) som en brøkdel af lysets hastighed. Ifølge den specielle relativitet, vokser rødforskydningen mod uendeligt, som vr nærmer sig lysets hastighed |
|
