Roodverschuiving

Roodverschuiving in de astronomie en de natuurkunde is het verschijnsel dat het spectrum van uitgezonden licht of andere elektromagnetische straling bij ontvangst naar "rood" verschoven is, dat wil zeggen in de richting van de langere golflengten en lagere frequenties.

Rood- en blauwverschuiving

Roodverschuiving, te zien in de spectraallijnen van de supercluster BAS11 (rechts; z=0,0782^[1]), vergeleken met die van de zon.

Het tegengestelde effect, waarbij een verschuiving naar de kortere golflengten, naar het blauw, plaatsvindt, heet blauwverschuiving.

Kwantitatieve beschrijving

De roodverschuiving wordt kwantitatief uitgedrukt in de relatieve verandering z van de golflengte λ ten opzichte van de uitgezonden golflengte λ₀:

${\displaystyle z={\frac {\lambda -\lambda _{0}}{\lambda _{0}}}={\frac {f_{0}-f}{f}}}$

Uitgedrukt in de frequenties is z de relatieve verandering van de uitgezonden frequentie f₀ ten opzichte van de waargenomen frequentie f.

Er zijn vier manieren waarop de roodverschuiving zich in het heelal kan manifesteren, via het dopplereffect, het relativistische dopplereffect, de kosmologische roodverschuiving en de gravitationele roodverschuiving. Dit zijn allemaal benaderingen, limietsituaties, vanuit de speciale relativiteitstheorie.

Dopplereffect

De eenvoudigste vorm van roodverschuiving ontstaat als gevolg van het dopplereffect. Wanneer een lichtbron en een waarnemer zich van elkaar verwijderen, is de door de waarnemer gemeten golflengte van het licht, uitgestraald door de lichtbron, langer en de frequentie lager. Naarmate het snelheidsverschil groter is, is het effect ook groter. Hetzelfde effect doet zich voor bij geluid, dat van toonhoogte verandert als bijvoorbeeld een sirene van een ambulance naar ons toekomt (hogere toon), voorbij rijdt en weer van ons wegrijdt (lagere toon).

Als relativistische aspecten buiten beschouwing worden gelaten, geldt voor snelheden v die veel kleiner zijn dan de lichtsnelheid c, voor de roodverschuiving:

${\displaystyle z\ ={\frac {v}{c}}.}$

Relativistisch dopplereffect

Het relativistische dopplereffect treedt op als de snelheid van bron en ontvanger ten opzichte van elkaar de lichtsnelheid benadert.^[2] In de praktijk is de roodverschuiving bij lichtgolven dan ook alleen meetbaar bij de zeer hoge relatieve snelheden die in het heelal voorkomen. In een experiment uit 1938, het Ives-Stilwell-experiment, werd het relativistische dopplereffect voor het eerst aangetoond.

In dat geval, als de lichtbron zich met grote snelheid v van de waarnemer verwijdert, volgt voor z:

${\displaystyle z={\sqrt {\frac {c+v}{c-v}}}-1={\sqrt {\frac {1+{\frac {v}{c}}}{1-{\frac {v}{c}}}}}-1}$

Als de bron van het licht zich van de waarnemer af beweegt, ontstaat er een roodverschuiving (z > 0). In het andere geval ontstaat er een blauwverschuiving (z < 0). Als er geen relatieve beweging is, is er ook geen spectrale verschuiving (z = 0).

Dit kan ook worden geschreven met behulp van de lorentzfactor:

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-({\frac {v}{c}})^{2}}}}}$

Er komt dan voor de roodverschuiving:

${\displaystyle z\ =(1+{\frac {v}{c}})\gamma -1}$

Als de snelheid v veel kleiner is dan c, nadert ${\displaystyle \gamma }$ naar 1 en volgt in de limiet de formule voor het klassieke dopplereffect.

Kosmologische roodverschuiving

Het spectrum van de quasar CXOCDFS J033229.9-275106, waarin de Lyman-alfalijn door roodverschuiving verschijnt bij ongeveer 575 nm in plaats van 122 nm.

Fysische kosmologie
Algemeen universum · oerknal · leeftijd van het heelal · chronologie van het heelal
Vroege universum inflatie · oerknal-nucleosynthese · kosmische achtergrondstraling
Uitbreidend universum roodverschuiving · wet van Hubble · metrische uitdijing van de ruimte · Friedmann-vergelijking · FLRW metriek
Structuur formatie vorm van het heelal · vlak heelal · torusvormig heelal
Toekomst van het heelal uiteindelijk lot van het heelal
Onderdelen donkere energie · donkere materie
Experimenten Sloan Digital Sky Survey · Planck Observatory · Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

De lichtspectra die op aarde worden ontvangen van de andere sterrenstelsels zijn verschoven ten opzichte van het lichtspectrum van de zon. De spectraallijnen van bijvoorbeeld waterstof zijn in het licht van verre sterrenstelsels verschoven naar het rode eind van het spectrum ten opzichte van de ligging van de spectraallijnen die hier op aarde aan waterstof wordt gemeten. De golflengte van deze spectraallijnen is langer geworden. Voor elk sterrenstelsel heeft deze verschuiving een andere waarde. Verreweg de meeste sterrenstelsels vertonen een roodverschuiving, een enkele ander vertoont een blauwverschuiving.

De eerste die de radiële snelheid van sterrenstelsels bepaalde was Vesto Slipher in 1917.^[3] Edwin Hubble heeft in 1929 metingen aan roodverschuiving en blauwverschuivingen van een groter aantal stelsels uitgevoerd^[4]. In eerste instantie interpreteerde hij de resultaten als gevolg van het dopplereffect, maar later ontdekte hij een correlatie tussen de roodverschuiving en de afstand van sterrenstelsels. De waarnemingen konden verklaard worden door een ander mechanisme voor roodverschuiving te introduceren, de kosmologische roodverschuiving (ook wel Hubble-roodverschuiving genoemd). Fotonen die een grote afstand door de ruimte afleggen worden als het ware uitgerekt, hetgeen voor deze kosmologische roodverschuiving zorgt.^[2] Dit wordt veroorzaakt doordat de ruimte waardoor de fotonen reizen uitzet tijdens de reis van het foton.

Hubble ontdekte een verband tussen de grootte van de roodverschuiving en de afstand van de sterrenstelsels tot het melkwegstelsel (nu de wet van Hubble-Lemaître genoemd). De exacte snelheid waarmee de sterrenstelsels zich van de Melkweg af bewegen is echter niet bekend. Deze is verwerkt in de hubbleconstante, de verhouding tussen de snelheid waarmee een bepaalde lengte groter wordt door de uitdijing van het heelal en de grootte van die afstand.

Voor een relatief kleine waarde van de kosmologische roodverschuiving van bijvoorbeeld z=0,1 zijn de effecten van de ruimtetijd-uitzetting minimaal. De waargenomen roodverschuiving wordt dan alleen door de relatieve snelheid tussen lichtbron en waarnemer bepaald; het relativistische dopplereffect dus, zonder de uitrekking van het heelal.

Het spectrum van JADES-GS-z14-0

Het object met de grootste gemeten kosmologische roodverschuiving was in 2025 het stelsel JADES-GS-z14-0, met z = 14,32^[5]. Daarmee heeft het een afstand van 13,6 miljard lichtjaar.

Theorie gebaseerd op roodverschuiving

De roodverschuiving, zoals die bij sterrenstelsels wordt waargenomen, vormt een van de onderbouwingen voor de oerknaltheorie, die de oorsprong van het heelal probeert te beschrijven en te verklaren.