Μετατόπιση προς το ιώδες

Μετατόπιση προς το ερυθρό και το ιώδες λόγω φαινομένου Ντόπλερ

Η μετατόπιση προς το ιώδες ή κυανή μετατόπιση (blueshift) είναι η ελάττωση του μήκους κύματος (και αντίστοιχα αύξηση της συχνότητας,ενέργειας), σε αντιδιαστολή με τη μετατόπιση προς το ερυθρό. Στο ορατό φως η μετάπτωση μεταβάλλει το χρώμα από το κόκκινο σημείο του ορατού φάσματος στο ιώδες. Ο όρος όμως εφαρμόζεται και σε φωτόνια με συχνότητα σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, τα οποία μετατοπίζονται σε μικρότερα μήκη κύματος καθώς και σε μείωση του μήκους κύματος de Broglie. Η μετατόπιση προς το ιώδες κυρίως προκαλείται από τη σχετική κίνηση της πηγής από τον παρατηρητή, μέσω του φαινομένου Ντόπλερ. Ένας παρατηρητής σε βαρυτικό πηγάδι βλέπει και αυτός μια μετατόπιση της ακτινοβολίας λόγω βαρυτικής μετατόπισης προς το κυανό, που περιγράφεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας όμοια με τη βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό. Σε ένα σύμπαν που συστέλλεται θα παρατηρείται κοσμολογική μετατόπιση προς το κυανό, σε αντίθεση με την κοσμολογική μετατόπιση προς το ερυθρό που παρατηρείται σε ένα σύμπαν που διαστέλλεται.

Μαθηματικός τύπος

Η μετατόπιση προς το κυανό συμβολίζεται με την αδιάστατη μεταβλητή $z\,$, που ορίζεται από την κλασματική μεταβολή του μήκους κύματος.

$z={\frac {\lambda _{o}-\lambda _{e}}{\lambda _{e}}}={\frac {f_{e}-f_{o}}{f_{o}}}$

Όπου $\lambda _{o}\,$ το μήκος κύματος και $f_{o}\,$ η συχνότητα, της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φωτονίου), όπως τη μετρά ο παρατηρητής και

$\lambda _{e}\,$ το μήκος κύματος και $f_{e}\,$ η συχνότητα,της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φωτονίου), όπως μετράται στη πηγή εκπομπής.

Για μετατόπιση προς το κυανό είναι προφανές ότι z < 0.

Μετατόπιση λόγω φαινομένου Ντόπλερ

Η μετατόπιση προς το κυανό λόγω φαινομένου Ντόπλερ (Doppler blueshift), προκαλείται από τη σχετική κίνηση της πηγής από τον παρατηρητή. Ο όρος χρησιμοποιείται για οποιαδήποτε μείωση του μήκους κύματος (ή αύξηση της συχνότητας) σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και όχι περιοριστικά μόνο στο ορατό φάσμα. Μόνο τα σώματα που κινούνται με ταχύτητες κοντά σε αυτή του φωτός (σχετικιστικές) σε σχέση με τον παρατηρητή, εμφανίζουν ορατή δια γυμνού οφθαλμού μετατόπιση, αλλά το μήκος κύματος οποιουδήποτε φωτονίου μειώνεται κατά την κατεύθυνση της κίνησης.

Η μετατόπιση στο κυανό λόγω φαινομένου Ντόπλερ χρησιμοποιείται στην αστρονομία για τον προσδιορισμό της σχετικής κίνησης:

• Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας κινείται προς τον δικό μας Γαλαξία μέσα στην τοπική ομάδα γαλαξιών, συνεπώς το φως του μετατοπίζεται προς το κυανό.
• Τα στοιχεία ενός συστήματος διπλού αστέρα θα μετατοπίζονται προς το κυανό όταν κινούνται προς τη Γη.
• Στην παρατήρηση σπειροειδών γαλαξιών, το μέρος που περιστρέφεται προς τη Γη θα έχει ελαφριά μετατόπιση προς το κυανό, σχετικά με εκείνο που περιστρέφεται αντίθετα.
• Οι Μπλέιζαρ είναι γνωστοί για τα πολύ δυνατά σχετικιστικά τζετ πλάσματος με εκπομπή ακτινοβολίας σύγχροτρον και ακτινοβολίας πέδησης που παρουσιάζουν μετατόπιση στο κυανό.
• Κοντινοί αστέρες, όπως ο αστέρας του Μπάρναρντ, που μετακινούνται προς τη Γη, με αποτέλεσμα πολύ μικρή μετατόπιση.
• Η μετατόπιση στο κυανό των πολύ μακρινών αστέρων μπορεί να αφαιρεθεί από τη σχετικά μεγαλύτερη κοσμολογική μετατόπιση στο ερυθρό για τον προσδιορισμό της σχετικής κίνησης στο διαστελλόμενο σύμπαν.

Βαρυτική μετατόπιση

Καθώς τα υλοκύματα (πρωτόνια, ηλεκτρόνια, φωτόνια κλπ.) πέφτουν σε ένα πηγάδι βαρύτητας, αποκτούν μεγαλύτερη ενέργεια και μετατοπίζονται προς το κυανό, ανεξάρτητα από το που βρίσκεται ο παρατηρητής

Σε αντίθεση με τη φαινόμενη μετατόπιση στο κυανό λόγω Ντόπλερ, που εξαρτάται από την κίνηση της πηγής προς τον παρατηρητή και άρα εξαρτάται από τη γωνία με την οποία αυτός λαμβάνει το φωτόνιο, η μετατόπιση στο κυανό λόγω βαρύτητας (βαρυτική μετατόπιση προς το κυανό) είναι πραγματική και ανεξάρτητη από τη γωνία πρόσληψης του φωτονίου.

Είναι ένα φυσικό αποτέλεσμα της αρχής διατήρησης της ενέργειας και της ισοδυναμίας μάζας-ενέργειας που προβλέπει η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν και επιβεβαιώθηκε πειραματικά από το πείρα Pound–Rebka του 1959. Η μετατόπιση προς το κυανό λόγω βαρύτητας συνεισφέρει στην ανισοτροπία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μέσω του φαινομένου Sachs-Wolfe, στο οποίο όταν ένα πηγάδι βαρύτητας περιστρέφεται ενώ ένα φωτόνιο περνάει, η μετατόπιση στο κυανό θα διαφέρει από τη μετατόπιση προς το ερυθρό λόγω βαρύτητας καθώς αυτό φεύγει.

Σχετικά

• Μετατόπιση προς το ερυθρό
• Φαινόμενο Ντόπλερ
• Σχετικότητα
• Ειδική Σχετικότητα
• Γενική Σχετικότητα