Hareket eden bir kaynaktan gelen ışık dalgaları, Doppler efektini, ışığın frekansında kırmızı kayma veya mavi kayma ile sonuçlanır. Bu, ses dalgaları gibi diğer dalgalara benzer (tam olarak benzer olmasa da) bir modeldir. En büyük fark, ışık dalgalarının hareketi için maddesel bir ortama ihtiyaç duymadığıdır. Dolayısıyla Doppler etkisinin klasik uygulanması tam olarak bu duruma uygulanmaz.
Işık İçin Relativistik Doppler Etkisi
İki nesne düşünün, ışık kaynağı ve gözlemci. Boşlukta hareket eden ışık dalgaları hiçbir ortama sahip olmadığından ışığın Doppler etkisini gözlemciye göre kaynağın hareketi açısından analiz ederiz.
Koordinat sistemimizi, pozitif yön gözlemciden kaynağa doğru olacak şekilde kurduk. Dolayısıyla kaynak gözlemciden uzaklaşıyorsa, hızı “v” pozitiftir, ancak gözlemciye doğru ilerliyorsa, “v” negatiftir. Gözlemci, bu durumda, daima gözlemde olduğu kabul edilir. Işık hızı c her zaman pozitif olarak kabul edilir.
Gözlemciden uzaklaşan bir ışık kaynağı (v pozitiftir) fS’den daha düşük bir fL sağlayacaktır. Görünür ışık tayfında, bu, ışık spektrumunun kırmızı ucuna doğru bir kaymaya neden olduğundan, buna kırmızıya kayma denir. Işık kaynağı gözlemciye doğru ilerlediğinde (v negatiftir), fL fS’den büyük olur. Görünür ışık tayfında, bu ışık tayfının yüksek frekanslı ucuna doğru bir kaymaya neden olur. Böylece, spektrumun mavi ucuna doğru bir kaymaya neden olur. Aslında, görünür ışık spektrumunun dışındaki elektromanyetik spektrum alanında bu kaymalar aslında kırmızıya ve maviye doğru olmayabilir. Örneğin, kızılötesi konumdaysanız, ‘kırmızıya kayma’ yaşadığınızda ironik bir şekilde kırmızıdan uzaklaşıyorsunuz demektir.
Trafik Polisleri, araçların hızını izlemek için kullandığı radar kutularında bu özelliği kullanmaktadırlar. Radyo dalgaları hareket eden araca çarpıp geri döndüğünde araç tarafından algılanan frekans değişimi sayesinde aracın hızı belirlenmiş olur. Benzer bir uygulama, meteorologların çok kullandığı “Doppler radarı” olan atmosferdeki rüzgar hızlarını ölçmek için kullanılır.
Bu Doppler kayması aynı zamanda uyduları izlemek için de kullanılır. Frekansın nasıl değiştiğini gözlemleyerek konumunuza göre hızı belirleyebilirsiniz; zemin temelli izleme, uzayda nesnelerin hareketini analiz etmeye olanak tanır. Gökbilimde, bu değişimler yıldızları izlemek içinde kullanılmaktadır. İki yıldızlı bir sistemi gözlemlediğinizde, frekansların nasıl değiştiğini analiz ederek hangisinin bize doğru yaklaştığı ve hangisinin uzaklaştığı söylenebilir.
Bunun evreni anlamamızda ki katkısı ne?
1929 yılında Edwin Hubble uzaktaki galaksilerin ışık tayfının kırmızıya kaydığını keşfederek galaksilerin bizden uzaklaştığını fark etti. Big Bang Teorisi bu sayede büyük ölçüde doğrulanmış oldu aynı zamanda karanlık enerjinin varlığına dair ilk kanıtları sundu elimize (karanlık enerjinin varlığı bu keşifle de aranmaya başlandı diyebiliriz). Aynı zamanda dalga boyunun kısalması da maviye kayma olarak bilinir ve ışık spektrumu mavi renge doğru kayar. Şimdi ise doppler etkisi açıklamaya çalışalım aslında bakarsanız bahsettiğimiz olayların bağlantı olması doppler etkisi dediğimiz olayın genel olarak bütün dalgalar için aynı özelliği göstermesindendir.
Galaksiler bizden uzaklaşıyorlar; çünkü uzayın dokusu genişliyor. Bu durum da galaksilerin sürekli hareket halinde olmasına ve bazı durumlarda tıpkı Andromeda’yla Samanyolu‘nun çarpışacağı gibi çarpışmalara sebep oluyor. Bu genişlemenin diğer bir sonucu olarak genelde evrende kırmızıya kayma gözlemliyoruz.
Kırmızıya kayma ve maviye kayma elektromanyetik tayfın tamamında geçerlidir. Yani radyo dalgaları morötesine doğru daha düşük frekanslara kayarsa kırmızıya kaymış olur.
Bildiğimiz kadarıyla en az üç çeşit kırmızıya kayma vardır:
1. Galaksilerin birbirlerine göre hızlarından kaynaklanan kırmızıya kayma,
2. Evrenin genişlemesiyle oluşan kırmızıya kayma,
3. Kütleçekimsel kırmızıya kayma.
Kütleçekimsel kırmızıya kayma keşfi en zor olanıydı. Onu keşfetmek için astronomlar Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması olarak bilinen geniş çaplı bir katalogun istatiksel analizini yaptılar. Sonucunda da tıpkı Einstein‘ın genel görelilikte öngördüğü gibi kütleçekimsel kırmızıya kaymalar olduğunu keşfettiler.
Daha da önemlisi, uzak galaksilerden gelen ışığın kanıtları, ışığın kırmızıya doğru bir kayma yaşadığını göstermektedir. Bu galaksilerin Dünya’dan uzaklaştığının kanıtı. Aslında, bunun sonuçları sadece Doppler etkisinin biraz ötesindedir. Aslında bu, genel görelilik tarafından öngörüldüğü gibi, uzay zamanının kendisinin genişlemesinin bir sonucudur. Bu bulguların kanıtı, diğer bulgularla birlikte, evrenin kökeninin “büyük patlama” resmini desteklemektedir.
Eğer sürekli gözlemleyecek olursanız; yıldız size yakınlaşıyorsa spektrumdaki siyah çizgiler maviye doğru kayacaktır. Bunun nedeni spektrumdaki mavi bölümün yüksek frekanslı ve yüksek enerjiye sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Tam tersine gözlemciden uzaklaşan yıldızın spektrum üzerindeki siyah çizgileri düşük enerjili ve küçük frekanslı olan kırmızı rengine kayacaktır.
Kısacası Doppler etkisi sayesinde; bir yıldız veya galaksiyi aralıklarla görüntüleyip soğurma çizgilerindeki değişimi analiz ederseniz, bizden ne hızla uzaklaştığını veya ne hızla yakınlaştığını hesaplayabilirsiniz.
Kaynak
Evrenbilim
Kozmik anafor