Як ефект Доплера допомагає вивчати Всесвіт?

У 1842 році фізик і математик Крістіан Доплер виявив, що якщо джерело звуку і спостерігач рухаються один щодо одного, частота звуку, яка сприймається спостерігачем, не збігається з частотою джерела звуку. Сьогодні ми називаємо це явище «ефект Доплера» і саме з його допомогою астрономи шукають екзопланети – світи, які обертаються навколо інших зірок за межами нашої Сонячної системи.

442 з 473 відомих на сьогоднішній день екзопланет були виявлені за допомогою ефекту Доплера, який описує зміни частоти будь-якого виду звукової або світлової хвилі, виробленої рухомим джерелом щодо спостерігача. Явище, відкрите австрійським вченим в 19 столітті є невід’ємною частиною сучасних теорій про походження нашого Всесвіту і використовується при прогнозуванні погоди, вивченні руху зірок, а також в діагностиці серцево-судинних захворювань.

Що таке ефект Доплера?

Уявіть собі калюжу, в центрі якої сидить задоволений жук. Кожен раз, коли він струшує лапками, він створює перешкоди, які переміщаються по воді. Якщо ці хвилі виникають в якійсь точці, то будуть поширюватися з цієї точки у всіх напрямках. Оскільки кожна хвиля рухається в одному і тому ж середовищі, всі вони будуть рухатися у всіх напрямках з однаковою швидкістю.

Візерунок, створюваний лапками жука, буде являти собою серію кіл, що досягають країв калюжі з однаковою частотою. Спостерігач в точці А (лівий край калюжі) побачить хвилі, які б’ються об край калюжі з тією ж частотою, що і спостерігач в точці В (правий край калюжі). Насправді частота, з якою кола досягають краю калюжі, буде такою ж, як частота, з якою жук ворушить лапками, визначимо її двома хвилями в секунду.

Тепер припустимо, що жук пливе до спостерігача В, виробляючи хвилі з тією ж частотою. Оскільки комаха рухається вправо, кожне хвиля виникає ближче до спостерігача В і далі від спостерігача А і, відповідно, досягне спостерігача В швидше. При цьому спостерігачеві В здаватиметься, що частота приходу хвиль вища, ніж частота, з якою ці хвилі виникають; спостерігачеві А, навпаки, видасться, що частота хвиль нижча, ніж насправді. Цей приклад, сподіваємося, непогано ілюструє ефект Доплера.

Ефект Доплера можна спостерігати для будь-якого типу хвилі – хвилі води, звукової хвилі, світлової хвилі і так далі. Уявіть, що вам назустріч рухається поліцейська машина. Коли автомобіль наближається до вас з увімкненою сиреною, звук сирени стає голоснішим, але стає тихішим, у міру того, як машина проїжджає повз. Це – ще один приклад ефекту Доплера – явного зсуву частоти звукової хвилі, створюваної рухомим джерелом.

Як працює ефект Доплера?

Ефект Доплера представляє великий інтерес для астрономів, які використовують інформацію про зрушення частоти електромагнітних хвиль, вироблених рухомими зірками в нашій галактиці і за її межами. Насправді припущення дослідників про те, що наш Всесвіт розширюється з прискоренням, частково базується на спостереженнях електромагнітних хвиль, що випускаються зірками в далеких галактиках. Визначити специфічну інформацію про зірок усередині галактик також можна за допомогою ефекту Доплера.

Сучасні телескопи дозволяють астрономам вивчати зірки в далеких галактиках. Як правило, вони шукають джерела світла, які випускають електромагнітні хвилі. Спостерігати ефект Доплера астрономи можуть, коли зірка обертається навколо власного центру мас і рухається або у напрямку до Землі або від неї. Ці зрушення довжини хвилі можна побачити у вигляді тонких змін в спектрі зірки – веселки кольорів, що випускаються світлом.

Щоб спостерігати червоне і синє світіння, астрономи використовують спектрограф – призмоподібний прилад з високою роздільною здатністю, який розділяє входять світлові хвилі на різні кольори. У зовнішньому шарі кожної зірки є атоми, які поглинають світло на певних довжинах хвиль, і це поглинання проявляється у вигляді темних ліній в різних кольорах спектру зірки. Дослідники використовують зрушення в цих лініях як зручні маркери для вимірювання величини ефекту Доплера.

Не можна не відзначити, що ефект Доплера використовують не тільки в астрономії. Посилаючи радіолокаційні промені в атмосферу і вивчаючи зміни довжин хвиль повертаються променів, метеорологи шукають воду в атмосфері. Ефект Доплера також використовується в медицині для ехокардіограми, посилаючи ультразвукові промені через тіло для вимірювання змін в кровотоці, щоб переконатися, що серцевий клапан працює правильно, або для діагностики серцево-судинних захворювань.