انتقال به سرخ: کلید فهم حرکت جهان
نور، رنگ و طولموج: الفبای درخشش آسمان
نور هم مانند صدا، یک موج است. اما موج نور بسیار کوچکتر از موج صدا است. تفاوت رنگهای مختلف نور، به طول موج (Wavelength) آنها بستگی دارد. نور آبی طولموج کوتاهتر و نور قرمز طولموج بلندتری دارد.
هنگامی که نور یک ستاره یا کهکشان را توسط یک تلسکوپ و ابزار خاصی به نام طیفنما5 تجزیه میکنیم، یک نوار رنگینکمانی به همراه خطوط تیره یا روشن مشخص میبینیم. این نوار، طیف6 نام دارد. موقعیت این خطوط، مانند اثرانگشت هر عنصر شیمیایی (مانند هیدروژن یا هلیوم) در ستاره است. اخترشناسان با بررسی این خطوط میتوانند بفهمند ستاره از چه ساخته شده است.
اثر دوپلر: وقتی صدا تغییر میکند، نور هم تغییر میکند
حتماً برایتان پیش آمده که وقتی آمبولانسی با آژیر روشن به سمت شما میآید، صدای آژیر زیرتر (فرکانس بالاتر) به گوش میرسد و وقتی از شما دور میشود، صدای آژیر بمتر (فرکانس پایینتر) میشود. به این پدیده اثر دوپلر میگویند. دقیقاً همین اتفاق برای نور هم میافتد!
اگر یک منبع نور (مثلاً یک ستاره) به سمت ما حرکت کند، طولموج نور آن فشرده و کوتاهتر میشود. این باعث میشود نور به سمت رنگ آبی در طیف جابجا شود که به آن انتقال به آبی7 میگویند. برعکس، اگر ستاره از ما دور شود، طولموج نور آن کشیده و بلندتر میشود و به سمت رنگ قرمز جابجا میشود. این همان پدیدهٔ اصلی مقالهٔ ما، یعنی انتقال به سرخ است.
| حرکت منبع نور | تاثیر بر طولموج | جابجایی رنگ در طیف | نام پدیده | مثال ساده |
|---|---|---|---|---|
| به سمت ناظر (ما) | کاهش مییابد (فشرده میشود) | به سمت آبی/بنفش | انتقال به آبی | آژیر نزدیکشونده |
| از ناظر (ما) دور میشود | افزایش مییابد (کشیده میشود) | به سمت قرمز | انتقال به سرخ | آژیر دورشونده |
انتقال به سرخ کیهانی: شاهدی بر انبساط جهان
در مقیاس کهکشانها و کل کیهان، یک نوع انتقال به سرخ بسیار مهمتر وجود دارد که فقط به دلیل حرکت سادهٔ کهکشان در فضا نیست. این انتقال به سرخ، ناشی از انبساط خود فضا است. تصور کنید کهکشانی بسیار دور، نوری ساطع میکند. در طول سفر چند میلیارد سالهٔ این نور به سمت ما، فضای بین کهکشان مبدأ و زمین در حال انبساط است. این انبساط فضا باعث میشود طولموج نور در طول راه کشیده شود، درست مانند نقشی که روی یک بادکنک کشیده میشود. هرچه کهکشانی دورتر باشد، نور آن زمان بیشتری در راه بوده و فضای بیشتری برای کشیده شدن داشته است، بنابراین انتقال به سرخ آن بزرگتر خواهد بود.
کشف این پدیده توسط ادوین هابل8 در دههٔ ۱۹۲۰ میلادی، یکی از بزرگترین انقلابهای علمی بود. او دریافت که کهکشانهای دورتر، انتقال به سرخ بزرگتری دارند، یعنی با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند. این مشاهده مستقیماً به نظریهٔ انفجار بزرگ9 و انبساط جهان منجر شد.
چگونه اخترشناسان با نور کهکشانها مسافت و سرعت را میسنجند؟
انتقال به سرخ یک ابزار اندازهگیری فوقالعاده برای اخترشناسان است. فرض کنید میدانیم خطوط طیفی هیدروژن در آزمایشگاه روی زمین دقیقاً در چه موقعیتی قرار دارند. وقتی طیف یک کهکشان دوردست را میبینیم، متوجه میشویم خطوط هیدروژن آن به سمت رنگ قرمز جابجا شدهاند. مقدار این جابجایی را با ($z$) نشان میدهند و آن را با فرمول سادهای محاسبه میکنند:
در این فرمول: $\lambda_{rest}$ طولموج خط طیفی در حالت سکون (در آزمایشگاه) و $\lambda_{observed}$ طولموج مشاهدهشده از جرم آسمانی است. اگر $z$ مثبت باشد، انتقال به سرخ رخ داده و جرم در حال دور شدن است.
برای کهکشانهای نسبتاً نزدیک، میتوان از رابطهٔ سادهتری برای تخمین سرعت دور شدن ($v$) استفاده کرد: $ v \approx z \times c $ که در آن $c$ سرعت نور است. اما برای کهکشانهای بسیار دور و انتقال به سرخهای بزرگ، محاسبات پیچیدهتر و نیازمند در نظر گرفتن نظریهٔ نسبیت عام است.
مثال: اگر خط طیفی هیدروژن که در آزمایشگاه طولموج 656.3 نانومتر دارد، در طیف یک کهکشان روی 660 نانومتر مشاهده شود، انتقال به سرخ $z$ تقریباً برابر $0.00563$ میشود. این یعنی کهکشان با سرعتی حدود 1,690 کیلومتر بر ثانیه (چیزی حدود 0.56% سرعت نور) از ما دور میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر لزوماً. انتقال به سرخ یک جابجایی در کل طیف است. اگر ستارهای سفید (دارای تمام رنگها) باشد، پس از انتقال به سرخ، هنوز سفید به نظر میرسد اما ترکیب نور آن به سمت قرمز متمایل شده است. برای ستارهای آبی، ممکن است به رنگ سفید متمایل به آبی یا حتی سبز دیده شود. عبارت "قرمز" در اینجا یک اصطلاح برای اشاره به افزایش طولموج است، نه لزوماً دیدن رنگ قرمز خالص.
پاسخ: خیر. پدیدهٔ انتقال به سرخ برای تمام امواج الکترومغناطیسی، از امواج رادیویی و مایکروویو تا پرتوهای ایکس و گاما رخ میدهد. مثلاً تابش زمینهٔ کیهانی10 که در محدودهٔ مایکروویو است، نتیجهٔ یک انتقال به سرخ بسیار بزرگ از نور مرئی و فروسرخ اولیه است.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. انبساط جهان مانند کشیده شدن نقاط روی سطح یک بادکنک در حال باد شدن است. از دید هر نقطه، نقاط دیگر در حال دور شدن هستند. هیچ نقطهای مرکز نیست. بنابراین، از دید هر کهکشانی در هر جای جهان، به نظر میرسد کهکشانهای دیگر در حال دور شدن هستند. ما مرکز جهان نیستیم، بلکه فقط شاهد محلی از این انبساط جهانی هستیم.
پاورقی
1 انتقال به سرخ (Redshift).
2 طولموج (Wavelength): فاصله بین دو قله متوالی یک موج.
3 اثر دوپلر (Doppler Effect): تغییر فرکانس موج به دلیل حرکت نسبی منبع و ناظر.
4 انتقال به سرخ کیهانی (Cosmological Redshift): ناشی از انبساط فضا.
5 طیفنما (Spectrometer).
6 طیف (Spectrum).
7 انتقال به آبی (Blueshift).
8 ادوین هابل (Edwin Hubble).
9 انفجار بزرگ (Big Bang).
10 تابش زمینه کیهانی (Cosmic Microwave Background - CMB): پستاب باقیمانده از انفجار بزرگ.
11 انرژی تاریک (Dark Energy): نیروی مرموزی که باعث شتابگیری انبساط جهان میشود.
