Rotverschiebung

Die Rotverschiebung bezeichnet die Verlängerung der gemessenen Wellenlänge von elektromagnetischen Wellen gegenüber der emittierten Wellenlänge.

Der Effekt ist aus der Astronomie bekannt, wo das Licht weit entfernter Galaxien zum Roten verschoben gemessen wird.

Drei Ursachen der Rotverschiebung müssen unterschieden werden:

• 1. Eine Relativbewegung von Quelle und Beobachter
• 2. Ein unterschiedliches Gravitationspotential von Quelle und Beobachter
• 3. Das expandierende Universum zwischen Quelle und Beobachter

Relativbewegung

Wenn ein Beobachter eine sich entfernende Lichtquelle anschaut, sieht er die Wellenzüge des Lichtes mit geringerer Frequenz, also rotverschoben. Umgekehrt sieht er das Licht einer sich nähernden Quelle blauverschoben.

Dieser Effekt heißt Dopplereffekt. Der Dopplereffekt tritt auch in der Akustik auf, wo Töne höher (bzw. tiefer) klingen, wenn man sich einer Schallquelle nähert (bzw. entfernt).

Gravitationspotential

Weniger ausgeprägt ist der Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie, den die Gravitation auf die elektromagnetische Strahlung ausübt. Entfernt sich die Strahlung von einer Masse, verliert die Welle im Gravitationsfeld Energie. Auch dadurch wird die Wellenlänge vergrößert. Die Relativitätstheorie führt diese Gravitationsrotverschiebung auf die Gravitations-Zeitdilatation zurück.

Expansion des Universums

Durch die Ausdehnung des Universums vergrößert sich auch die Raumzeit selbst. Dadurch wird die elektro-magnetische Welle auch ohne eine Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger gedehnt. Man stelle sich hierzu einen Ballon vor, der aufgeblasen wird. Die Ballonoberfläche entspricht unserem Universum. Die Galaxien sind Punkte, das Licht ein Wellenzug auf der Ballonoberfläche. Wenn der Ballon aufgeblasen wird, wird der Abstand zwischen den aufgemalten Punkten größer und die Welle wird gedehnt. Dabei wird die Wellenlänge des Lichts 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. Ein ähnliches Veranschaulichungsmodell, aber in allen drei Raumdimensionen und deshalb vielleicht etwas einfacher zu erfassen, ist ein Hefeteig mit Rosinen.

Rotverschiebung und Kosmologie

Das Licht von Galaxien ist in den allermeisten Fällen rotverschoben. Und je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker ist die Rotverschiebung. Nur sehr wenige Galaxien zeigen aufgrund ihrer Eigenbewegung relativ zur Erde Blauverschiebung. Dieser Effekt wurde 1929 von Edwin Hubble entdeckt, der ihn aber fälschlich als Dopplereffekt interpretierte. Mit Hilfe der Hubble-Konstanten kann bei Kenntnis der Rotverschiebung auch die Entfernung einer Galaxis von der Erde berechnet werden. Die Rotverschiebung wird mit dem z-Wert gemessen. Je höher der z -Wert eines astronomischen Objekts, desto größer sein Abstand von der Erde und desto jünger sein Alter.

Die Rotverschiebung der Galaxien wird in vielen Büchern fälschlich als Dopplereffekt erklärt. Die Formel für den Dopplereffekt ergibt für kurze Distanzen die gleiche Rotverschiebung, wie wenn man von einer Ausdehnung des Universums ausgeht. Für weit entfernte Galaxien ergibt sich aber ein messbarer Unterschied.

Diese Art von Rotverschiebung gilt in der Kosmologie als Beweis für die Urknalltheorie. Alle weit entfernten Galaxien entfernen sich von uns und wenn man ihre Bewegung zurückrechnet, so waren sie vor 15-20 Milliarden Jahren genau an einem Punkt.

Die allgemeine Relativitätstheorie 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

Rotverschiebungen können mit dem Mössbauer-Effekt extrem genau gemessen werden.

Weblinks

• http://www.mpia-hd.mpg.de/suw/suw/SuW/BR-alpha/AC006%20-%20Universum/AC006-114.html