83 просмотров

Что эффект Доплера говорит астрономам о Вселенной

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, почему спектральные линии фотонов, которые мы наблюдаем от объекта, будут изменяться в результате движения объекта к нам или от нас.
  • Опишите, как мы можем использовать эффект Доплера, чтобы понять, как астрономические объекты движутся в пространстве.

Последние два раздела познакомили вас со многими новыми концепциями, и мы надеемся, что благодаря им вы увидели появление одной важной идеи. Астрономы могут узнать об элементах в звездах и галактиках, расшифровав информацию в их спектральных линиях. Однако есть один усложняющий фактор в обучении расшифровке сообщения звездного света. Если звезда движется к нам или от нас, ее линии будут находиться в немного другом месте в спектре, чем у покоящейся звезды. И большинство объектов во Вселенной имеют некоторое движение относительно Солнца.

Движение влияет на волны

В 1842 году Кристиан Доплер впервые измерил влияние движения на волны, наняв группу музыкантов, чтобы они играли на открытом железнодорожном вагоне, когда он двигался по рельсам. Затем он применил то, что узнал, ко всем волнам, включая свет, и указал, что если источник света приближается или удаляется от наблюдателя, то световые волны будут, соответственно, сгущаться или распространяться. Общий принцип, теперь известный как эффект Доплера, показан на рисунке 1.

На этом рисунке показан эффект Доплера. Часть A показывает ровные концентрические кольца, представляющие волны, движущиеся над наблюдателем. Центр колец помечен

Рисунок 1: Эффект Доплера. (a) Источник S создает волны, гребни которых (1, 2, 3 и 4) омывают неподвижного наблюдателя. (b) Теперь источник S движется к наблюдателю A и от наблюдателя C. Гребень волны 1 возник, когда источник находился в положении S.4, гребень 2 в позиции S2, и так далее. Наблюдатель А видит волны, сжатые этим движением, и видит синее смещение (если волны светлые). Наблюдатель C видит волны, растянутые движением, и видит красное смещение. Наблюдатель B, чей луч зрения перпендикулярен движению источника, не видит изменений в волнах (и чувствует себя обделенным).

Статья в тему:  Что такое параллельная вселенная

На рисунке 1а источник света (S) неподвижен по отношению к наблюдателю.Источник испускает серию волн, гребни которых мы обозначили цифрами 1, 2, 3 и 4. Световые волны равномерно распространяются во всех направлениях, как рябь от брызг в пруду. Гребни разделены расстоянием λ, где λ — длина волны. Наблюдатель, находящийся в направлении нижней части изображения, видит световые волны, идущие красиво и равномерно на расстоянии одной длины волны. Наблюдатели, находящиеся в любом другом месте, увидят то же самое.

С другой стороны, если источник света движется относительно наблюдателя, как видно на рис. 2б, ситуация усложняется. Между моментом появления одного гребня и готовностью к выходу следующего источник немного сместился к нижней части страницы. С точки зрения наблюдателя А, это движение источника уменьшило расстояние между гребнями — он сжимает гребни вместе, мог бы сказать этот наблюдатель.

На рисунке 2б мы показываем ситуацию с точки зрения трех наблюдателей. Источник виден в четырех позициях, S1, С2, С3и С4, каждая из которых соответствует излучению одного гребня волны. Наблюдателю А, кажется, что волны следуют друг за другом более близко, с уменьшенной длиной волны и, следовательно, с увеличенной частотой. (Помните, что все световые волны распространяются со скоростью света через пустое пространство, несмотря ни на что. Это означает, что движение не может влиять на скорость, а только на длину волны и частоту. Когда длина волны уменьшается, частота должна увеличиваться. Если волны короче, за каждую секунду их сможет пройти больше.)

Статья в тему:  Как сокращение повторного использования и переработка поможет глобальному потеплению

Для других наблюдателей ситуация иная. Посмотрим на ситуацию с точки зрения наблюдателя. С, расположенный напротив наблюдателя А на рисунке. Для нее источник удаляется от ее местоположения. В результате волны не сжимаются, а распространяются движением источника. Гребни приходят с увеличенной длиной волны и уменьшенной частотой. Наблюдателю Б, в направлении, перпендикулярном движению источника, эффекта не наблюдается. Длина волны и частота остаются такими же, как и в части (а) рисунка.

На этой иллюстрации видно, что эффект Доплера возникает только при движении к наблюдателю или от него, движение, называемое радиальной скоростью. Движение вбок такого эффекта не дает. Наблюдатели между А а также Б наблюдали бы некоторое укорочение световых волн для той части движения источника, которая находится вдоль их луча зрения. Наблюдатели между Б а также С наблюдали бы удлинение световых волн вдоль их луча зрения.

Возможно, вы слышали эффект Доплера со звуковыми волнами. Когда свисток поезда или полицейская сирена приближается к вам, а затем удаляется, вы заметите уменьшение высоты (именно так человеческие чувства интерпретируют частоту звуковой волны) звуковых волн. По сравнению с волнами в состоянии покоя, они изменились от немного более частых при приближении к вам до немного менее частых при удалении от вас.

Хороший пример такого изменения звука поездного гудка можно услышать в конце классической песни Beach Boys «Caroline, No» на их альбоме. Звуки домашних животных. Чтобы услышать этот звук, посмотрите это видео песни. Звук поезда начинается примерно в 2:20.

Статья в тему:  Кто играет граната во вселенной стивена

Цветовые сдвиги

Когда источник волн движется к вам, длина волны немного уменьшается. Если задействованные волны представляют собой видимый свет, то цвета света немного меняются. По мере уменьшения длины волны они смещаются в сторону синего конца спектра: астрономы называют это синий сдвиг (поскольку конец спектра действительно фиолетовый, термин, вероятно, должен быть фиолетовый сдвиг, но синий является более распространенным цветом). Когда источник удаляется от вас и длина волны увеличивается, мы называем изменение цвета изменением цвета. красное смещение. Поскольку эффект Доплера впервые был использован для видимого света в астрономии, термины «синее смещение» и «красное смещение» стали общепринятыми.Сегодня астрономы используют эти слова для описания изменений длин волн радиоволн или рентгеновских лучей так же удобно, как используют их для описания изменений в видимом свете.

Чем больше движение к нам или от нас, тем больше доплеровский сдвиг. Если относительное движение происходит полностью вдоль луча зрения, формула для доплеровского сдвига света имеет вид

где λ — длина волны, излучаемая источником, Δλ — разница между λ и длиной волны, измеренной наблюдателем, с это скорость света, а в — относительная скорость наблюдателя и источника на линии обзора. Переменная в считается положительной, если скорость является скоростью отступления, и отрицательной, если она является скоростью приближения. Решая это уравнение для скорости, находим в = с × Δλ/λ.

Статья в тему:  Ева онлайн когда респавнятся астероиды

Если звезда приближается к нам или удаляется от нас, длины световых волн в ее непрерывном спектре кажутся соответственно укороченными или удлиненными, как и длины темных линий. Однако, если только ее скорость не достигает десятков тысяч километров в секунду, звезда не кажется заметно более синей или красной, чем обычно. Таким образом, доплеровский сдвиг нелегко обнаружить в непрерывном спектре и нельзя точно измерить в таком спектре. Однако длины волн линий поглощения можно точно измерить, а их доплеровский сдвиг обнаружить относительно просто.

Эффект Доплера

Мы можем использовать уравнение эффекта Доплера для расчета радиальной скорости объекта, если нам известны три вещи: скорость света, исходная (несмещенная) длина волны излучаемого света и разница между длиной волны излучаемого света и длиной волны мы наблюдаем. Для конкретных линий поглощения или излучения мы обычно точно знаем, какую длину волны имеет линия, в наших лабораториях на Земле, где источник света не движется. Мы можем измерить новую длину волны с помощью наших инструментов в телескопе, и поэтому мы знаем разницу в длине волны из-за доплеровского сдвига.Поскольку скорость света является универсальной константой, мы можем вычислить лучевую скорость звезды.

Пример 1: Эффект Доплера

Конкретная эмиссионная линия водорода первоначально испускается с длиной волны 656,3 нм из газового облака. В наш телескоп мы наблюдаем, что длина волны эмиссионной линии составляет 656,6 нм. С какой скоростью движется это газовое облако к Земле или от нее?

Статья в тему:  Как очистить воду после ядерной атаки

Показать ответ

Поскольку свет смещается в сторону большей длины волны (красное смещение), мы знаем, что это газовое облако удаляется от нас. Скорость можно рассчитать по формуле доплеровского сдвига:

Проверьте свое обучение

Предположим, что спектральная линия водорода, обычно с длиной волны 500 нм, наблюдается в спектре звезды с длиной волны 500,1 нм. С какой скоростью звезда движется к Земле или от нее?

Показать ответ
Поскольку свет смещается в сторону большей длины волны, звезда удаляется от нас:

Его скорость составляет 60 000 м/с.

Теперь вы можете спросить: если все звезды движутся, и движение изменяет длину волны каждой спектральной линии, не станет ли это катастрофой для астрономов, пытающихся выяснить, какие элементы присутствуют в звездах? В конце концов, именно длина волны (или цвет) сообщает астрономам, какие линии принадлежат какому элементу. И мы сначала измеряем эти длины волн в контейнерах с газом в наших лабораториях, которые не двигаются. Если теперь каждая линия в спектре звезды смещается в результате ее движения на другую длину волны (цвет), то как мы можем быть уверены, какие линии и какие элементы мы наблюдаем в звезде, скорость которой нам неизвестна?

Мужаться. Эта ситуация звучит хуже, чем есть на самом деле. Астрономы редко судят о наличии элемента в астрономическом объекте по одной линии. Это шаблон линий, уникальных для водорода или кальция, которые позволяют нам определить, что эти элементы являются частью звезды или галактики, которую мы наблюдаем.Эффект Доплера не изменяет рисунок линий данного элемента — он лишь немного сдвигает весь рисунок в сторону более красных или голубых длин волн. Смещенный паттерн по-прежнему довольно легко распознать. Лучше всего то, что когда мы распознаем шаблон знакомого элемента, мы получаем бонус: величина смещения шаблона может позволить нам определить скорость объектов в поле нашего зрения.

Статья в тему:  Как мусорные свалки способствуют глобальному потеплению quizlet

Подготовка астрономов включает в себя большую работу по обучению расшифровке света (и других электромагнитных излучений). Умелый «декодер» может узнать температуру звезды, какие в ней элементы и даже ее скорость в направлении к нам или от нас. Это действительно впечатляющий объем информации о звездах, находящихся на расстоянии световых лет.

ключевые понятия и резюме

Если атом движется к нам, когда электрон меняет орбиту и образует спектральную линию, мы видим, что эта линия слегка смещена в сторону синего цвета своей нормальной длины волны в спектре. Если атом удаляется, мы видим, что линия смещена в сторону красного цвета. Это смещение известно как эффект Доплера и может использоваться для измерения лучевых скоростей удаленных объектов.

Глоссарий

Эффект Допплера: видимое изменение длины волны или частоты излучения источника из-за его относительного движения от наблюдателя или к нему

радиальная скорость: движение к наблюдателю или от него; составляющая относительной скорости, которая лежит на луче зрения

Лицензии и атрибуты
Контент с лицензией CC, опубликованный ранее

  • Астрономия. Предоставлено: OpenStax CNX. Расположен на: http://cnx.org/contents/2e737be8-ea65-48c3-aa0a-9f35b4c6a966@10.1. Лицензия: CC BY: Авторство. Условия лицензии: Скачать бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/2e737be8-ea65-48c3-aa0a-9f35b4c6a966@10.1.
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x