Op zoek naar de werkelijkheid met het dopplereffect

In de sterrenkunde is het dopplereffect een belangrijke grootheid. Op basis van dit effect worden de snelheden van objecten in het heelal gemeten. Hoe werkt het?

De frequentie van het licht

Licht, een elektromagnetische golf, heeft ten opzichte van de waarnemer altijd dezelfde snelheid en dat is bijna 300.000 km/sec. Deze snelheid is onafhankelijk van de snelheid van de waarnemer. De frequentie van het licht is niet onafhankelijk van de waarnemer, en die frequentie bepaald de kleur van het licht. Om het dopplereffect te kunnen ervaren zijn er een zender en een ontvanger nodig die ten opzichte van elkaar een verschillende snelheid hebben. Er wordt dan een kleurverschuiving gemeten die bij een naderend object naar rood verschuift en bij een verwijderend object naar blauw verschuift.

De snelheid van een hemellichaam

In de sterrenkunde maakt het dopplereffect het mogelijk om nauwkeurig vast te stellen of een hemellichaam zich naar ons toe of zich van ons af beweegt. Een voorwaarde is dat men precies weet wat de oorspronkelijke golflengte van die specifieke kleur is. Deze wordt in het laboratorium nauwkeurig gemeten. Hier een voorbeeld om dit beter te begrijpen:

De ster Vega in het sterrenbeeld de Lier bevindt zich op een afstand van 25.04 lichtjaar van de Aarde. In het lichtspectrum van Vega meet men een absorptielijn van waterstof met een golflengte van 6562,5 Ångström (A). In het laboratorium meet men voor dezelfde absorptielijn een golflijn van 6562,8 Ångström (B).

Gegeven de relatie V_R= (B-A) / A  x  c, waarin V_R de gezochte snelheid is; c de lichtsnelheid is; A de absorptielijn van de ster Vega en B de standaard absorptielijn, geeft dat: V_R = (6562,5-6562,8)/6562,8 x 300.000 = -13,7 ^km/_sec. Het minteken zegt dat de ster zich naar ons toe beweegt.

Met behulp van het dopplereffect kunnen zo de snelheden van sterren en sterrenstelsels vrij nauwkeurig worden bepaald.

Het dopplereffect is geen eigenschap van het uitgezonden licht

Tot zover zijn de begrippen en technieken redelijk eenduidig. Dat verandert als je preciezer naar het dopplereffect gaat kijken.

Licht wordt uitgezonden door een bron en heeft op het moment van zenden vaste golflengten die vergelijkbaar zijn aan de in het laboratorium gemeten golflengten. Omdat elke beweging van een ster relatief is kun je stellen dat de lichtbron in het voorbeeld per definitie stil staat. We kunnen aan de hand van het dopplereffect niet vaststellen of een object zich van ons af beweegt of dat wij ons van het object af bewegen. Het dopplereffect treedt pas op als een bewegend object een lichtstraal uitzendt dat op onze Aarde wordt ontvangen en er een snelheidsverschil is tussen de lichtbron en onze Aarde. Op dat moment wordt op de Aarde een dopplereffect gemeten. Het dopplereffect treedt dus niet op in het uitgezonden licht, maar wordt pas op het moment van ontvangst gemeten. Denk daarbij maar aan het volgende gedachtenexperiment:

Stel, er is een lichtbron in het heelal waarvan het uitgezonden licht random verspreid wordt door de ruimte en waarvan een zeer klein deel wordt waargenomen door drie hemellichamen die zich op eenzelfde afstand van de lichtbron staan.

Een van die hemellichamen beweegt zich naar de lichtbron toe.

Een van die hemellichamen beweegt zich van de lichtbron af.

Een van die hemellichamen heeft dezelfde snelheid als de lichtbron.

Op alle drie de hemellichamen wordt de golflengte van het licht gemeten. Zoals door duizenden metingen is vastgesteld zal er een blauwverschuiving worden gemeten op het hemellichaam dat naar de lichtbron toe beweegt en een roodverschuiving op het hemellichaam dat van de lichtbron af beweegt. Op het hemellichaam dat geen snelheidsverschil heeft ten opzichte van de lichtbron zal geen kleurverschuiving worden gemeten. Uit deze metingen kan geconcludeerd worden dat in het uitgezonden licht geen verandering van golflengte optreedt.

Het dopplereffect kan niet door de zender zijn meegegeven want dat zou veronderstellen dat voor elk ontvangend object een speciale lichtgolf zou worden uitgezonden. Het dopplereffect is dus niet een eigenschap van het door de lichtbron uitgezonden licht.

De ontvanger bepaalt het dopplereffect

De lichtbron van deze ster straalt rondom een stabiel licht uit en stuurt dat licht met de gegeven golflengte naar de ontvanger. De licht ontvangende hemellichamen hebben een eigen positie en een eigen snelheid ten opzichte van de lichtbron. Het is de eigen snelheid van dat hemellichaam die het dopplereffect veroorzaakt. Het dopplereffect kan alleen op de ontvanger worden gemeten. Het treedt dus pas op, op het moment dat het gemeten wordt. Het samendrukken of uitrekken van de lichtstraal, ofwel het korter of langer worden van de golflengte vindt dus plaats op het moment van meten. En dit effect kan pas optreden op het moment dat de lichtstraal de spiegel bereikt. Het effect moet binnen de afstand van een lichtgolf liggen. Dan spreken we over enige duizenden Ångström. Zo dicht bij de spiegel treedt het effect op. Op dat moment wordt de laatste golf uitgerekt of ingekrompen en treedt het dopplereffect op.

Deze meting zegt dus niets over het traject dat het licht heeft afgelegd. Een lichtstraal kan miljoenen jaren door de ruimte reizen zonder dat we weten welke invloed dat reizen heeft op de golflengte van het licht.

Noot: Het dopplereffect wordt ook toegepast bij de bepaling van de uitdijsnelheid van het heelal maar helemaal vergelijken is niet mogelijk omdat in dit geval geen sprake is van materie die zich werkelijk door de ruimte verplaatst.

De relatie tussen de zender en de ontvanger

Om het dopplereffect op te kunnen wekken zijn er twee lichamen nodig die een relatie met elkaar hebben. Er is een zender en een ontvanger nodig waarbij de zender het licht uitzendt en de ontvanger het licht ontvangt. De weg die het licht aflegt is de relatie tussen die twee. Wil het dopplereffect waargenomen kunnen worden moet er een snelheidsverschil bestaan tussen de zender en de ontvanger. In deze relatie vormen zender en ontvanger een gesloten systeem en hebben in deze relatie alleen met elkaar te maken. Deze relatie valt weg als de afstanden in de miljarden lichtjaren lopen. Dan wordt het onzeker of het licht zendende lichaam nog bestaat.

Op zoek naar de werkelijkheid

Wat voor consequenties heeft dit gedachtenexperiment nu eigenlijk? Om te beginnen is het heelal een werkelijkheid. Die werkelijkheid is als het geheel van het feitelijk bestaande. Dit in tegenstelling tot het denkbeeldige.

Toets je het dopplereffect aan deze definitie van de werkelijkheid dan wordt het wel opmerkelijk wat we als wetenschappers nu denken te weten:

Stapje 1: Waarnemen

Aan het aardoppervlak, of daar in de buurt, wordt het uitgezonden licht door de sterren in het heelal waargenomen met onze ogen, rechtstreeks en via telescopen. Buiten de bekende lichtfrequenties worden de waarnemingen gedaan door radiotelescopen. Een voorbeeld is de nieuwe James Webb Space Telescope die in het Lagrangepunt 2 is geplaatst en waarnemingen doet aan sterren, sterrenstelsels en gaswolken in het infraroodspectrum. Deze infrarood signalen worden niet tegengehouden door stofwolken.

Die metingen worden in de werkelijkheid gedaan met behulp van meet- instrumenten, waarvan de belangrijkste de spectrofotometer is. Dit zijn harde waarnemingen waarbij de verbeelding niet aan de orde is.

Stapje 2: Interpreteren

Nadat de metingen zijn gedaan worden deze door mensen beoordeeld en geïnterpreteerd. De metingen worden vergeleken met de metingen die in het laboratorium zijn gedaan. De signalen worden omgezet naar het zichtbare spectrum, waarna er onder andere prachtige foto’s worden gecomponeerd.

De interpretatie is gebaseerd op verworven kennis over de eigenschappen van het licht. Op basis daarvan worden onder andere de snelheden van sterren en sterrenstelsels met behulp van het dopplereffect bepaald. Analyses van de spectraallijnen geven informatie over de samenstelling van de sterren, sterrenstelsels en gaswolken. De interpretatie van de metingen bepalen ons beeld van het heelal. Dat beeld is geen weergave van de werkelijkheid. Die werkelijkheid kunnen we niet kennen omdat we geen toegang hebben tot die objecten. We moeten onze verbeelding laten werken. We moeten het denkbeeldige denken. En dat is een probleem. Hier spelen tijd en afstand een bepalende rol. We spreken over miljarden lichtjaren zonder dat we ons daar een voorstelling van kunnen maken. We vangen elektromagnetische signalen op en analyseren die zonder dat we een idee hebben waar die lichtbron is en of die lichtbron nog wel bestaat.

Hierbij wat voorbeelden om te illustreren hoe beweeglijk en dynamisch de sterren en sterrenstelsels zijn:

• De rotatiesnelheid van de Aarde is 1.670 km/h. = 490 m/sec.
• De snelheid waarmee de Aarde om de Zon draait is 107.200 km/h. = 29.8 km/sec.
• De snelheid waarmee ons zonnestelsel door de Melkweg reist is 2.160.000 km/h. Dit is 600 km/sec.
• De uitdijingssnelheid van ons heelal is ongeveer 20 km/sec per miljoen lichtjaar.

Dus waar de lichtgevende hemellichamen na 1 miljard jaar of na 10 miljard jaar staan en of ze nog bestaan is, gezien de bovengenoemde snelheden, zeer ongewis.

We kunnen, met uitzondering van ons zonnestelsel, niet het heelal in kijken. We kunnen alleen het licht opvangen op het moment dat het de Aarde bereikt. Dat licht geeft veel informatie over ons heelal, maar dat is wat anders dan het heelal in kunnen kijken.