Rotverschiebung
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Als Rotverschiebung elektromagnetischer Wellen wird die Verlängerung der gemessenen Wellenlänge gegenüber der ursprünglich emittierten Strahlung bezeichnet. Der Effekt ist aus der Astronomie bekannt, wo das Licht weit entfernter Galaxien zum Roten verschoben erscheint. Dies lässt sich durch Analyse der Spektrallinien messen.
Drei Ursachen der Rotverschiebung müssen unterschieden werden:
- Eine Relativbewegung von Quelle und Beobachter (Dopplereffekt)
- Ein unterschiedliches Gravitationspotential von Quelle und Beobachter (Relativität)
- Das expandierende Universum zwischen Quelle und Beobachter (Kosmologie)
Inhaltsverzeichnis |
Relativbewegung
Wenn ein Beobachter eine sich entfernende Lichtquelle beobachtet, sieht er die Wellenzüge des Lichtes mit geringerer Frequenz, also etwas zum roten Ende des Spektrums verschoben. Umgekehrt sieht er das Licht einer sich nähernden Quelle blauverschoben. Dieser Effekt heißt Dopplereffekt. Er tritt auch in der Akustik auf, wo Töne höher (bzw. tiefer) klingen, wenn man sich einer Schallquelle nähert (bzw. entfernt).
Gravitationspotential
Die Rotverschiebung im Gravitationsfeld ist ein Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie, der als eine Folge des unterschiedlichen Zeitverlaufes auf unterschiedlichem Gravitationspotential auftritt. Die Gravitation übt dabei zwar keinen Einfluß auf Energie und Frequenz der elektromagnetischen Strahlung aus, wohl aber auf den Zeitverlauf, der vom Gravitationspotential abhängig ist. Entfernt sich Strahlung von einer Masse, so vergeht die Zeit auf dem Gravitationspotential des Empfängers schneller, als auf dem Gravitationspotential eines Senders, der sich näher an der Masse befindet. Dadurch erscheinen Frequenz und Energie der Strahlung für den Empfänger geringerer, als für den Sender.
Expansion des Universums
Durch die Ausdehnung des Universums vergrößert sich gleichzeitig die Raumzeit selbst. Dadurch wird die elektromagnetische Welle auch ohne eine Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger gedehnt. Man stelle sich hierzu einen Ballon vor, der aufgeblasen wird. Die 2D-Ballonoberfläche entspricht dem dreidimensionalen Raum unseres Universums. Die Galaxien seien aufgemalte Punkte, das Licht ein Wellenzug auf der Ballonoberfläche. Wenn der Ballon aufgeblasen wird, wird der Abstand zwischen den Punkten größer (ohne daß sie sich relativ zur Ballonoberfläche bewegen) und die Welle wird gedehnt.
Im expandierenden Weltall werden die Lichtwellenlängen im gleichen Maß gedehnt wie das Universum in der Zeit, in der das Licht unterwegs ist. Anders als beim Dopplereffekt hängt die Rotverschiebung hier nicht von der relativen Geschwindigkeit der Galaxien bei der Emission und der Absorption ab, sondern davon, wie stark sich das Universum in der Zwischenzeit ausdehnt. Diese Art der Rotverschiebung wird als kosmologische Rotverschiebung bezeichnet. Als Konsequenz dieser Betrachtungsweise sind die Fluchtgeschwindigkeiten der fernen Galaxien keine Bewegungen im Raum, sondern Bewegungen des Raumes. Vorstellbar in unserem 3-dimensionalen Raum, als Bewegung auf einem elastischen Medium, wodurch sich die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen vergrößern. Des weitern ergibt sich aus der allgemeinen Relativitätstheorie, dass die beobachteten Fluchtgeschwindigkeiten keine relativistischen Zeiteffekte hervorrufen, wie üblicherweise Bewegungen im Raum. Ein ähnliches Veranschaulichungsmodell, aber in allen drei Raumdimensionen und deshalb vielleicht etwas besser zu erfassen, ist ein Hefeteig mit Rosinen als "Galaxien".
Rotverschiebung und Kosmologie
Das Licht von Galaxien ist in den allermeisten Fällen rotverschoben (bereits unter den nächstgelegenen 1000 sind es etwa ¾). Und je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker ist im Mittel die Rotverschiebung. Nur wenige - hauptsächlich nahe - Sternsysteme zeigen aufgrund ihrer Eigenbewegung auf uns zu eine Blauverschiebung.
Der Effekt wurde 1929 vom US-Astronomen Edwin Hubble entdeckt, aber zunächst fälschlich als Dopplereffekt interpretiert. Er nimmt statistisch mit der Galaxienentfernung um die sog. Hubble-Konstante zu, weshalb man die Entfernungen durch Messung der Rotverschiebung abschätzen kann. Sie wird als „z-Wert“ angegeben. Je höher der z-Wert eines astronomischen Objekts, desto größer sein Abstand von der Erde und desto größer sein Alter.
Die Rotverschiebung der Galaxien wird in vielen Büchern fälschlich alleine mit dem Dopplereffekt erklärt. Dessen Formel ergibt zwar für kurze Distanzen die gleiche Rotverschiebung wie bei Annahme eines expandierenden Universums. Für weit entfernte Galaxien ergibt sich aber ein messbarer Unterschied.
Diese Art von Rotverschiebung spricht für die Urknalltheorie, ließ sich früher aber auch mit der Steady-State-Theorie erklären. Alle weit entfernten Galaxien entfernen sich von uns und wenn man ihre Bewegung zurückrechnet, kommt man auf einen Ursprung vor etwa 15 Milliarden Jahren. Unkorrekt wäre aber, von einem Ausgangspunkt zu sprechen. Die allgemeine Relativitätstheorie lässt kein statisches Universum zu, sie sagt eine Expansion oder eine Kontraktion des Universums in der Art des Ballonmodells voraus. Die Rotverschiebung ferner Galaxien ist damit eine Bestätigung der Relativitätstheorie.
Messmethoden
In der Astronomie wird die Rotverschiebung durch Methoden der Spektralanalyse gemessen; sie sind heute durch digitale statt fotografische Erfassung wesentlich genauer geworden. Doch um Spektrallinien gut erfassen zu können, müssen die Galaxien eine gewisse Mindest-Helligkeit aufweisen.
In der Chemie können Rotverschiebungen mit dem Mößbauer-Effekt besonders genau gemessen werden, weil die Ausprägung der Elektronenhülle eines Moleküls auf die Energieniveaus seiner Atomkerne zurückwirkt. Siehe hierzu Mößbauer-Spektroskopie.
Weblinks
