Redshift – Khi những nhà quan sát, những người ngắm sao nhìn lên bầu trời đêm, họ sẽ nhìn thấy ánh sáng. Đó là một phần thiết yếu của vũ trụ đã đi qua những khoảng cách rất xa. Ánh sáng đó, chính thức được gọi là “bức xạ điện từ”, chứa một kho thông tin về vật thể mà nó đến từ đó, từ nhiệt độ đến chuyển động của nó.
Các nhà thiên văn học nghiên cứu ánh sáng trong một kỹ thuật gọi là “quang phổ”. Nó cho phép họ phân tích nó theo các bước sóng của nó để tạo ra thứ được gọi là “quang phổ”. Trong số những thứ khác, họ có thể biết liệu một vật thể đang di chuyển ra khỏi chúng ta hay không. Họ sử dụng một thuộc tính gọi là “dịch chuyển đỏ” (Redshift) để mô tả chuyển động của các vật thể di chuyển ra xa nhau trong không gian.
Dịch chuyển đỏ xảy ra khi một vật thể phát ra bức xạ điện từ lùi xa một người quan sát. Ánh sáng được phát hiện có vẻ “đỏ” hơn bình thường vì nó bị dịch chuyển về phía cuối “đỏ” của quang phổ. Dịch chuyển đỏ không phải là thứ mà ai cũng có thể “nhìn thấy”. Đó là một hiệu ứng mà các nhà thiên văn đo lường trong ánh sáng bằng cách nghiên cứu các bước sóng của nó.
Cách hoạt động của Redshift
Một vật thể (thường được gọi là “nguồn”) phát ra hoặc hấp thụ bức xạ điện từ có bước sóng cụ thể hoặc tập hợp các bước sóng. Hầu hết các ngôi sao phát ra một dải ánh sáng rộng, từ khả kiến đến hồng ngoại, tử ngoại, tia X, v.v.
Khi nguồn di chuyển ra xa người quan sát, bước sóng dường như “giãn ra” hoặc tăng lên. Mỗi đỉnh được phát ra xa đỉnh trước đó khi vật thể lùi dần. Tương tự, trong khi bước sóng tăng (trở nên đỏ hơn) thì tần số, và do đó năng lượng sẽ giảm.
Vật thể lùi lại càng nhanh, dịch chuyển đỏ của nó càng lớn. Hiện tượng này là do hiệu ứng Doppler. Mọi người trên Trái đất đã quen thuộc với dịch chuyển Doppler theo những cách khá thực tế. Ví dụ, một số ứng dụng phổ biến nhất của hiệu ứng Doppler (cả dịch chuyển đỏ và dịch chuyển xanh) là súng radar cảnh sát. Chúng trả lại các tín hiệu từ một chiếc xe và lượng dịch chuyển đỏ hoặc chuyển hướng xanh cho cảnh sát biết tốc độ của nó. Radar thời tiết Doppler cho các nhà dự báo biết tốc độ di chuyển của hệ thống bão. Việc sử dụng kỹ thuật Doppler trong thiên văn học cũng tuân theo các nguyên tắc tương tự.
Cách mà các nhà thiên văn học xác định dịch chuyển đỏ (và dịch chuyển xanh) là sử dụng một công cụ gọi là quang phổ kế để xem xét ánh sáng do một vật thể phát ra. Sự khác biệt nhỏ trong các vạch quang phổ cho thấy sự dịch chuyển về phía màu đỏ (đối với dịch chuyển đỏ) hoặc xanh lam (đối với dịch chuyển xanh). Nếu sự khác biệt cho thấy một dịch chuyển đỏ, điều đó có nghĩa là vật thể đang lùi dần ra xa. Nếu chúng có màu xanh lam thì có nghĩa là vật thể đang đến gần.
Sự mở rộng của Vũ trụ
Vào đầu những năm 1900, các nhà thiên văn học cho rằng toàn bộ vũ trụ được bao bọc bên trong thiên hà của chúng ta, Dải Ngân hà. Tuy nhiên, các phép đo được thực hiện từ các thiên hà khác, vốn được cho là đơn giản chỉ là tinh vân bên trong của chúng ta, cho thấy chúng thực sự nằm ngoài Dải Ngân hà. Khám phá này được thực hiện bởi nhà thiên văn học Edwin P. Hubble, dựa trên phép đo các ngôi sao biến thiên của một nhà thiên văn học khác tên là Henrietta Leavitt.
Hơn nữa, dịch chuyển đỏ (và trong một số trường hợp là dịch chuyển xanh) được đo cho các thiên hà này, cũng như khoảng cách của chúng. Hubble đã có một khám phá đáng kinh ngạc rằng một thiên hà càng ở xa, dịch chuyển đỏ của nó càng xuất hiện nhiều hơn đối với chúng ta. Mối tương quan này hiện được gọi là Định luật Hubble. Nó giúp các nhà thiên văn định nghĩa sự giãn nở của vũ trụ. Nó cũng cho thấy rằng các vật thể càng xa chúng ta, chúng càng lùi lại nhanh hơn. (Điều này đúng theo nghĩa rộng, có những thiên hà cục bộ, chẳng hạn, đang di chuyển về phía chúng ta do chuyển động của “Nhóm cục bộ” của chúng ta.) Phần lớn, các vật thể trong vũ trụ đang lùi dần ra xa nhau và chuyển động đó có thể được đo bằng cách phân tích dịch chuyển đỏ của chúng.
Các ứng dụng khác của Dịch chuyển đỏ trong Thiên văn học
Các nhà thiên văn có thể sử dụng dịch chuyển đỏ để xác định chuyển động của Dải Ngân hà. Họ làm điều đó bằng cách đo sự dịch chuyển Doppler của các vật thể trong thiên hà của chúng ta. Thông tin đó tiết lộ cách các ngôi sao và tinh vân khác đang di chuyển trong mối quan hệ với Trái đất. Họ cũng có thể đo chuyển động của các thiên hà rất xa – được gọi là “thiên hà dịch chuyển đỏ cao”. Đây là một lĩnh vực thiên văn học đang phát triển nhanh chóng. Nó không chỉ tập trung vào các thiên hà mà còn tập trung vào các vật thể khác, chẳng hạn như nguồn phát ra các vụ nổ tia gamma.
Những vật thể này có dịch chuyển đỏ rất cao, có nghĩa là chúng đang di chuyển ra xa chúng ta với vận tốc cực lớn. Các nhà thiên văn học gán chữ z cho dịch chuyển đỏ. Điều đó giải thích tại sao đôi khi sẽ xuất hiện một câu chuyện nói rằng một thiên hà có dịch chuyển đỏ là z = 1 hoặc tương tự như vậy. Các kỷ nguyên đầu tiên của vũ trụ nằm ở mức z khoảng 100. Vì vậy, dịch chuyển đỏ cũng cung cấp cho các nhà thiên văn học một cách để hiểu các vật ở xa như thế nào ngoài tốc độ di chuyển của chúng.
Việc nghiên cứu các vật thể ở xa cũng cung cấp cho các nhà thiên văn một bức ảnh chụp nhanh về trạng thái của vũ trụ cách đây khoảng 13,7 tỷ năm. Đó là khi lịch sử vũ trụ bắt đầu với Vụ nổ lớn. Vũ trụ không chỉ có vẻ như đang mở rộng kể từ thời điểm đó, mà sự giãn nở của nó cũng đang tăng tốc. Nguồn gốc của hiệu ứng này là năng lượng tối, một phần vũ trụ chưa được hiểu rõ. Các nhà thiên văn sử dụng dịch chuyển đỏ để đo khoảng cách vũ trụ (lớn) nhận thấy rằng gia tốc không phải lúc nào cũng giống nhau trong suốt lịch sử vũ trụ. Lý do cho sự thay đổi đó vẫn chưa được biết đến và hiệu ứng này của năng lượng tối vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn trong vũ trụ học (nghiên cứu về nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ.)
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen.
