Các phổ ánh sáng nhìn thấy được.
(Ảnh: © NASA.)
Redshift và blueshift mô tả cách ánh sáng chuyển sang các bước sóng ngắn hơn hoặc dài hơn khi các vật thể trong không gian (như các ngôi sao hoặc thiên hà) di chuyển gần hoặc xa chúng ta hơn. Khái niệm này là chìa khóa để lập biểu đồ sự mở rộng của vũ trụ.
Ánh sáng nhìn thấy được là một dải màu sắc, rõ ràng cho bất cứ ai đã nhìn vào cầu vồng. Khi một vật thể di chuyển ra xa chúng ta, ánh sáng được chuyển sang đầu đỏ của quang phổ, vì bước sóng của nó dài hơn. Nếu một vật thể di chuyển gần hơn, ánh sáng sẽ di chuyển đến đầu màu xanh của quang phổ, vì bước sóng của nó sẽ ngắn hơn.
Để nghĩ về điều này rõ ràng hơn, Cơ quan Vũ trụ châu Âu gợi ý, hãy tưởng tượng bạn đang nghe tiếng còi của cảnh sát khi chiếc xe lao tới bạn trên đường.
"Mọi người đều nghe thấy tiếng còi báo động của cảnh sát tăng lên và âm vực giảm mạnh khi còi báo động đi qua và rút đi. Hiệu ứng phát sinh do sóng âm truyền đến tai người nghe gần nhau hơn khi nguồn phát ra và cách xa nhau hơn khi nó phát ra. thoái trào, "ESA viết.
Âm thanh và ánh sáng
Hiệu ứng âm thanh này lần đầu tiên được mô tả bởi Christian Andreas Doppler vào những năm 1800 và được gọi là hiệu ứng Doppler. Vì ánh sáng cũng phát ra theo bước sóng, điều này có nghĩa là các bước sóng có thể kéo dài hoặc giòn với nhau tùy thuộc vào vị trí tương đối của các vật thể. Điều đó nói rằng, chúng tôi không nhận thấy nó ở quy mô kích thước hàng ngày vì ánh sáng truyền đi nhanh hơn nhiều so với tốc độ âm thanh - nhanh hơn một triệu lần, ESA lưu ý.
Nhà thiên văn học người Mỹ Edwin Hubble (người được đặt tên theo Kính viễn vọng Không gian Hubble) là người đầu tiên mô tả hiện tượng dịch chuyển đỏ và buộc nó vào một vũ trụ đang mở rộng. Những quan sát của ông, được tiết lộ vào năm 1929, cho thấy gần như tất cả các thiên hà mà ông quan sát được đang di chuyển ra xa, NASA cho biết.
"Hiện tượng này được quan sát là sự dịch chuyển của quang phổ của một thiên hà", NASA viết. "Sự dịch chuyển đỏ này dường như lớn hơn đối với các thiên hà mờ nhạt, có lẽ là xa hơn, do đó, càng xa một thiên hà, nó càng rút ra khỏi Trái đất nhanh hơn."
Các thiên hà đang di chuyển khỏi Trái đất vì bản thân không gian đang mở rộng. Trong khi các thiên hà đang di chuyển - ví dụ, thiên hà Andromeda và dải ngân hà đang trong quá trình va chạm - có một hiện tượng tổng thể về dịch chuyển đỏ xảy ra khi vũ trụ trở nên lớn hơn.
Các thuật ngữ redshift và blueshift áp dụng cho bất kỳ phần nào của phổ điện từ, bao gồm sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, tia cực tím, tia X và tia gamma. Vì vậy, nếu sóng vô tuyến được chuyển sang phần tử ngoại của phổ, chúng được cho là bị lệch hoặc chuyển sang các tần số cao hơn. Các tia gamma chuyển sang sóng vô tuyến có nghĩa là chuyển sang tần số thấp hơn hoặc dịch chuyển đỏ.
Độ dịch chuyển đỏ của một vật thể được đo bằng cách kiểm tra các vạch hấp thụ hoặc phát xạ trong phổ của nó. Những dòng này là duy nhất cho mỗi phần tử và luôn có cùng khoảng cách. Khi một vật thể trong không gian di chuyển về phía hoặc ra xa chúng ta, các đường có thể được tìm thấy ở các bước sóng khác nhau so với vị trí của chúng nếu vật thể không di chuyển (so với chúng ta). [Liên quan: Thực hiện phổ kế của riêng bạn]
Redshift được định nghĩa là sự thay đổi bước sóng của ánh sáng chia cho bước sóng mà ánh sáng sẽ có nếu nguồn không chuyển động - được gọi là bước sóng nghỉ:
Ba loại dịch chuyển đỏ
Ít nhất ba loại dịch chuyển đỏ xảy ra trong vũ trụ - từ sự giãn nở của vũ trụ, từ sự chuyển động của các thiên hà so với nhau và từ "dịch chuyển đỏ hấp dẫn", xảy ra khi ánh sáng bị dịch chuyển do lượng vật chất khổng lồ bên trong thiên hà.
Redshift sau này là phần phụ của ba, nhưng vào năm 2011, các nhà khoa học đã có thể xác định nó trên quy mô kích thước vũ trụ. Các nhà thiên văn học đã phân tích thống kê một danh mục lớn được gọi là Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan và nhận thấy rằng dịch chuyển đỏ hấp dẫn xảy ra - chính xác theo lý thuyết tương đối rộng của Einstein. Công trình này đã được xuất bản trong một bài báo Thiên nhiên.
"Chúng tôi có các phép đo độc lập về khối lượng cụm, vì vậy chúng tôi có thể tính toán được kỳ vọng cho dịch chuyển đỏ hấp dẫn dựa trên thuyết tương đối rộng là gì", nhà vật lý thiên văn Radek Wojtak của Đại học Copenhagen nói vào thời điểm đó. "Nó đồng ý chính xác với các phép đo của hiệu ứng này."
Phát hiện đầu tiên về dịch chuyển đỏ hấp dẫn được đưa ra vào năm 1959, sau khi các nhà khoa học phát hiện ra nó xảy ra trong ánh sáng tia gamma phát ra từ một phòng thí nghiệm trên Trái đất. Trước năm 2011, nó cũng được tìm thấy dưới ánh mặt trời và trong những ngôi sao lùn trắng gần đó, hoặc những ngôi sao đã chết sau khi những ngôi sao có kích thước mặt trời ngừng hợp hạch hạt nhân vào cuối đời.
Sử dụng đáng chú ý của dịch chuyển đỏ
Redshift giúp các nhà thiên văn học so sánh khoảng cách của các vật thể ở xa. Năm 2011, các nhà khoa học tuyên bố họ đã nhìn thấy vật thể xa nhất từng thấy - một vụ nổ tia gamma có tên GRB 090429B, phát ra từ một ngôi sao phát nổ. Vào thời điểm đó, các nhà khoa học ước tính vụ nổ diễn ra cách đây 13,14 tỷ năm. Để so sánh, Vụ nổ lớn đã diễn ra cách đây 13,8 tỷ năm.
Thiên hà xa nhất được biết đến là GN-z11. Năm 2016, Kính thiên văn vũ trụ Hubble xác định nó tồn tại chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn. Các nhà khoa học đã đo độ dịch chuyển đỏ của GN-z11 để xem mức độ ánh sáng của nó bị ảnh hưởng bởi sự giãn nở của vũ trụ. Dịch chuyển đỏ của GN-z11 là 11,1, cao hơn nhiều so với dịch chuyển đỏ cao nhất tiếp theo là 8,48 được đo từ thiên hà EGSY8p7.
Các nhà khoa học có thể sử dụng dịch chuyển đỏ để đo lường cách thức cấu trúc vũ trụ trên quy mô lớn. Một ví dụ về điều này là Vạn Lý Trường Thành Hercules-Corona; ánh sáng mất khoảng 10 tỷ năm để đi qua cấu trúc. Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan là một dự án dịch chuyển đỏ đang diễn ra đang cố gắng đo các dịch chuyển đỏ của vài triệu đối tượng. Cuộc khảo sát dịch chuyển đỏ đầu tiên là Khảo sát RedShift của CfA, đã hoàn thành việc thu thập dữ liệu đầu tiên vào năm 1982.
Một lĩnh vực nghiên cứu mới nổi liên quan đến việc làm thế nào để trích xuất thông tin dịch chuyển đỏ từ sóng hấp dẫn, đó là sự xáo trộn trong không gian thời gian xảy ra khi một cơ thể đồ sộ được tăng tốc hoặc bị xáo trộn. (Lần đầu tiên Einstein đề xuất sự tồn tại của sóng hấp dẫn vào năm 1916 và Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế tia laser (LIGO) lần đầu tiên phát hiện ra chúng trực tiếp vào năm 2016). Bởi vì sóng hấp dẫn mang tín hiệu cho thấy khối lượng dịch chuyển đỏ của chúng, việc trích xuất dịch chuyển đỏ từ đó đòi hỏi một số tính toán và ước tính, theo một bài báo năm 2014 trên tạp chí đánh giá ngang hàng Phys Review X.
Ghi chú của biên tập viên: Bài viết này đã được cập nhật vào ngày 7 tháng 8 năm 2019 để phản ánh sự điều chỉnh. Sóng vô tuyến chuyển sang phần tử ngoại của quang phổ bị lệch, không bị dịch chuyển đỏ.
