Các nhà thiên văn học nghiên cứu ánh sáng từ các vật thể ở xa để hiểu chúng. Ánh sáng di chuyển trong không gian với tốc độ 299.000 km/giây, và đường đi của nó có thể bị lệch hướng bởi lực hấp dẫn cũng như bị hấp thụ và phân tán bởi các đám mây vật chất trong vũ trụ. Các nhà thiên văn học sử dụng nhiều đặc tính của ánh sáng để nghiên cứu mọi thứ, từ các hành tinh và mặt trăng của chúng cho đến những vật thể ở xa nhất trong vũ trụ.
Hiệu ứng Doppler
Một công cụ mà các nhà khoa học sử dụng là hiệu ứng Doppler. Đây là sự thay đổi tần số hoặc bước sóng của bức xạ phát ra từ một vật thể khi nó di chuyển trong không gian. Nó được đặt tên theo nhà vật lý người Áo Christian Doppler, người lần đầu tiên đề xuất nó vào năm 1842.
Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát.
Hiệu ứng Doppler hoạt động như thế nào? Nếu nguồn bức xạ, chẳng hạn như một ngôi sao, đang di chuyển về phía một nhà thiên văn học trên Trái đất (chẳng hạn), thì bước sóng bức xạ của nó sẽ có vẻ ngắn hơn (tần số cao hơn và do đó năng lượng cao hơn). Mặt khác, nếu đối tượng đang di chuyển ra khỏi người quan sát thì bước sóng sẽ xuất hiện dài hơn (tần số thấp hơn và năng lượng thấp hơn). Bạn có thể đã trải qua một phiên bản của hiệu ứng khi bạn nghe thấy tiếng còi tàu hoặc tiếng còi cảnh sát khi nó di chuyển qua bạn, thay đổi cao độ khi nó đi ngang qua bạn và di chuyển ra xa.
Hiệu ứng Doppler đứng sau các công nghệ như radar cảnh sát (súng bắn tốc độ), nơi “súng radar” phát ra ánh sáng có bước sóng đã biết. Sau đó, “ánh sáng” radar đó bật ra khỏi một chiếc ô tô đang chuyển động và quay trở lại thiết bị. Sự thay đổi kết quả của bước sóng được sử dụng để tính toán tốc độ của xe. (Lưu ý: nó thực sự là một sự dịch chuyển kép vì chiếc xe đang chuyển động đầu tiên đóng vai trò là người quan sát và trải qua một sự dịch chuyển, sau đó như một nguồn chuyển động truyền ánh sáng trở lại cảnh sát, do đó dịch chuyển bước sóng lần thứ hai.)
Dịch chuyển đỏ (Redshift)
Khi một vật thể đang lùi lại (tức là đang di chuyển ra xa) khỏi một người quan sát, các đỉnh của bức xạ được phát ra sẽ cách xa nhau hơn so với chúng nếu đối tượng nguồn đứng yên. Kết quả là bước sóng ánh sáng thu được xuất hiện lâu hơn. Các nhà thiên văn học nói rằng nó bị “dịch chuyển sang màu đỏ” cuối của quang phổ.
Hiệu ứng tương tự áp dụng cho tất cả các dải của phổ điện từ, chẳng hạn như vô tuyến, tia X hoặc tia gamma. Tuy nhiên, các phép đo quang học là phổ biến nhất và là nguồn gốc của thuật ngữ “dịch chuyển đỏ”. Nguồn di chuyển ra xa người quan sát càng nhanh thì dịch chuyển đỏ càng lớn. Từ quan điểm năng lượng, bước sóng dài hơn tương ứng với bức xạ năng lượng thấp hơn.
Dịch chuyển xanh (Blueshift)
Ngược lại, khi một nguồn bức xạ đến gần một người quan sát, các bước sóng ánh sáng xuất hiện gần nhau hơn, làm cho bước sóng ánh sáng ngắn lại một cách hiệu quả. (Một lần nữa, bước sóng ngắn hơn có nghĩa là tần số cao hơn và do đó năng lượng cao hơn). Về mặt quang phổ, các vạch phát xạ sẽ xuất hiện dịch chuyển về phía màu xanh lam của quang phổ, do đó có tên là blueshift.
Như với dịch chuyển đỏ, hiệu ứng này có thể áp dụng cho các dải khác của quang phổ điện từ, nhưng hiệu ứng này thường được thảo luận nhiều nhất khi xử lý ánh sáng quang học, mặc dù trong một số lĩnh vực thiên văn, điều này chắc chắn không đúng.
Sự mở rộng của vũ trụ và sự dịch chuyển Doppler
Việc sử dụng Doppler Shift đã dẫn đến một số khám phá quan trọng trong thiên văn học. Vào đầu những năm 1900, người ta tin rằng vũ trụ là tĩnh. Trên thực tế, điều này đã khiến Albert Einstein thêm hằng số vũ trụ vào phương trình trường nổi tiếng của mình để “hủy bỏ” sự giãn nở (hoặc co lại) đã được dự đoán trong tính toán của ông. Cụ thể, người ta từng tin rằng “rìa” của Dải Ngân hà đại diện cho ranh giới của vũ trụ tĩnh.
Sau đó, Edwin Hubble phát hiện ra rằng cái gọi là “tinh vân xoắn ốc” đã gây khó khăn cho thiên văn học trong nhiều thập kỷ không phải là tinh vân. Chúng thực sự là những thiên hà khác. Đó là một khám phá đáng kinh ngạc và nói với các nhà thiên văn rằng vũ trụ lớn hơn nhiều so với những gì họ biết.
Sau đó, Hubble tiến hành đo sự dịch chuyển Doppler, đặc biệt là tìm ra dịch chuyển đỏ của các thiên hà này. Ông phát hiện ra rằng một thiên hà càng ở xa, nó càng rút đi nhanh chóng. Điều này dẫn đến Định luật Hubble nổi tiếng ngày nay, nói rằng khoảng cách của một vật thể tỷ lệ thuận với tốc độ suy thoái của nó.
Tiết lộ này đã khiến Einstein viết rằng việc ông thêm hằng số vũ trụ vào phương trình trường là sai lầm lớn nhất trong sự nghiệp của ông. Tuy nhiên, điều thú vị là một số nhà nghiên cứu hiện đang đặt hằng số trở lại thuyết tương đối rộng.
Hóa ra Định luật Hubble chỉ đúng cho đến một thời điểm vì nghiên cứu trong vài thập kỷ qua đã phát hiện ra rằng các thiên hà xa xôi đang rút đi nhanh hơn dự đoán. Điều này ngụ ý rằng sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Lý do cho điều đó là một bí ẩn, và các nhà khoa học đã đặt tên cho động lực của năng lượng tối gia tốc này. Họ coi nó trong phương trình trường Einstein như một hằng số vũ trụ (mặc dù nó có dạng khác với công thức của Einstein).
Các ứng dụng khác trong thiên văn học
Bên cạnh việc đo lường sự giãn nở của vũ trụ, hiệu ứng Doppler có thể được sử dụng để lập mô hình chuyển động của những thứ gần hơn nhiều; cụ thể là động lực học của Dải Ngân hà.
Bằng cách đo khoảng cách tới các ngôi sao và dịch chuyển đỏ hoặc dịch chuyển xanh của chúng, các nhà thiên văn học có thể lập bản đồ chuyển động của thiên hà của chúng ta và có được hình ảnh về thiên hà của chúng ta trông như thế nào đối với một người quan sát từ khắp vũ trụ.
Hiệu ứng Doppler cũng cho phép các nhà khoa học đo xung động của các ngôi sao biến thiên, cũng như chuyển động của các hạt di chuyển với vận tốc đáng kinh ngạc bên trong các luồng phản lực tương đối tính phát ra từ các lỗ đen siêu lớn.
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen.
