اثر دوپلر و انتقال به سرخ


 

نويسنده:رضا منصوري




 
در حياط دانشگاه وين در اتريش پيکره ي فيزيک داني قرار دارد به اسم کريستين دوپلر، دوپلر فيزيک دان اتريشي، متوفي به سال1232/1853، در دانشگاه وين تدريس و تحقيق مي کرد.اثر دوپلر که در فيزيک مشهور است به نام اين فيزيک دان است.
شايد تا به حال متوجه تغيير طنين بوق ماشين ها، به ويژه در جاده هاي بين شهري، شده باشيد که به هنگام دور شدن يا نزديک شدن به شما روي مي دهد.در اصطلاح فيزيک آکوستيک مي گوييم صداي بوق به هنگام دور شدن بم مي شود و به هنگام نزديک شدن زير.اين تغيير بسامد (فرکانس)را به صورت بم يا زير شد ن بايد متوجه شده باشيد.معمولاً اين مثال را براي سوت قطار مي زنند، اما قطار در کشور ما موجود ناياب عقب مانده اي است در عوض ماشين هاي فراوان با راننده هاي دست به بوق در خيابان ها و جاده ها بسيار بيشتر از عرف کشورهاي با فرهنگ پيشرفته تر رانندگي داريم!اين پديده را دوپلر کشف کرد که به هنگام نزديک شدن يک چشمه ي صوتي به ما بسامد امواج صوت بيشتر مي شود و به هنگام دور شدن کمتر.همين پديده را در مورد امواج الکترومغناطيس نيز مي توان مشاهده کرد.يعني بسامد نور يا امواج الکترومغناطيسي مي تواند در اثر حرکت چشمه ي نور يا امواج تغيير کند، و بسته به شرايط بيشتر يا کمتر شود.بسامد امواج الکترومغناطيسي طيف بسيار گسترده اي را مي پوشاند، از تابش با طول موج هاي بسيار کوتاه در حدود 5-10 متر بگيريد تا امواج راديويي با طول موج هاي چند ده متر؛ و همان گونه که ديده ايم انواع تلسکوپ هاي راديويي، فروسرخ و نوري آشکارسازهايي براي اين امواج در طول موج هاي گوناگون است.
کهکشان ها، ستاره ها و اختروش ها چشمه هاي کيهاني در حال حرکت اند. حرکت اين چشمه ها دو نوع است.يکي اين که همه ي آنها در يک حرکت جمعي کيهاني شرکت مي کنند و ديگر حرکت خاصه ي هرکدام.اين دو حرکت خاصه و عامه شبيه است به حرکت مسافران يک قطار در داخل آن.در حالي که همه ي مسافران با قطار حرکت مي کنند و در حرکت آن سهيم اند، هر مسافر مي تواند حرکت «خاصه»ي خودش را داخل قطار داشته باشد.ما اين حرکت چشمه هاي کيهاني را نسبت به خودمان مي سنجيم؛ هريک از اين دو حرکت را هم که در نظر بگيريم با اثري شبيه اثر دوپلر متناظر با آن سروکار خواهيم داشت.
از انتقال به سرخ اجرام آسماني چندين بار تاکنون صحبت شده است؛ سرعت فرار و انبساط کيهان را ما از داده هاي رصدي مرتبط با انتقال به سرخ به دست مي آوريم. اين داده ها براي اخترفيزيک و کيهان شناسي بسيار با اهميت اند. بخش عمده اي از کيهان شناسي رصدي، و به طور کلي اختر فيزيک رصدي، مرتبط است با اندازه گيري و تحليل طيف چشمه هاي کيهاني، چه کهکشان و چه اختروش يا اجرام آسماني ديگر.طيف سنجي کار پردردسري است، که متخصصان خبره اي مي خواهد، چه براي تهيه ي طيف و چه براي تعبير داده هاي مرتبط با آن.
تشخيص درست خطوط طيفي و اندازه گيري جابه جايي، يعني انتقال به سرخ يا آبي آنها، همگي اطلاعات مفيد و تعيين کننده اي در اختر فيزيک و کيهان شناسي است. پس بايد بسيار دقت کرد تا طيفي که به دست مي آيد بدون ابهام باشد و گويا.
در تغيير طيف ها، علاوه بر اثر دوپلر که باعث جابه جايي خطوط طيفي مي شود، اثر مشابه ديگري ناشي از گرانش قوي در ابعاد کيهاني در طيف ها ظاهر مي شود.
مي دانيم که گرانش روي مسير نور و بسامد آن تأثير مي گذارد. به ويژه در ميدان هاي قوي گرانشي، مانند سطح ستاره هاي نوتروني، يا در مجاورت سياه چاله ها، تأثير روي بسامد شديد است. اين پديده گاهي اتّساع زمان گرانشي هم خوانده مي شود، چون اثر جهاني است و روي هر پديده ي دوره اي، مانند بسامد امواج الکترومغناطيسي يا آهنگ ساعت ها، تأثير مي گذارد.
اکنون، به جاي نور و بسامد آن، ساعت و چگونگي آهنگ آن را در نظر بگيريد. گيريم دو ساعت يکسان داريم، مثلاً دو ساعت اتمي دقيق. يکي روي سطح زمين، يکي هم در ارتفاع، نظريه ي نسبيت عام، يا نظريه ي گرانش انيشتين، مي گويد آهنگ اين دو ساعت يکسان نيست و يکي کندتر از ديگري کار مي کند و علت آن اين است که هرچه ميدان گرانش قوي تر باشد، ساعت ساکن در آن کندتر کار مي کند.پس ساعتي که در ارتفاع است تندتر از ساعت روي زمين کار مي کند.گرچه اين اثر بسيار کوچک است، قابل اندازه گيري است.تغيير آهنگ ساعت همان تغيير بسامد است، که البته اين تغيير بسامد ناشي از حرکت نيست و با پديده ي دوپلر متعارف تفاوت دارد.توجه داشته باشيد امواج و طيف آنها، که از ستاره ها و کهکشان ها دريافت مي کنيم، در اثر اتفاق هايي است که در اتم هاي موجود در اجرام آسماني مي افتد.اين اتفاق ها را در اصطلاح مکانيک کوانتومي گذار در مدار الکتروني داخل اتم ها مي نامند.اين گذارها منجر به گسيل تابش الکترومغناطيسي با بسامدهاي گوناگون مي شود.به هرگذار يک تابش با بسامد مشخص نسبت داده مي شود.به اين سبب است که اتم ها تابشي با بسامد مشخص گسيل مي کنند و به مانند ساعتي عمل مي کنند که آهنگ آن تناسب معکوس دارد با بسامدش.

خوب که بنگريم، مي بينيم که ساعت هاي اتمي چگونه با استفاده از گذارهاي اتمي و بسامد آنها ساخته مي شود.پس اگر آهنگ ساعت ها در ميدان گرانش قوي تر کند مي شود، لازم است بسامد اتمي نيز در ميدان قوي تر کاهش يابد.همين گونه، در ميدان گرانش ضعيف، آهنگ ساعت تندتر و بسامد اتمي بيشتر مي شود مي دانيم که طول موج تناسب معکوس با بسامد دارد.پس روي يک ستاره با گرانش قوي طول موج اتمي در ارتفاع کم، يعني گرانش قوي تر، بيشتر؛ و در ارتفاع بيشتر، يعني گرانش ضعيف تر، طول موج کمتر مي شود.اين است که اگر موجودات هوشمندي مي توانستند روي يک ستاره نوتروني با گرانش قوي زندگي بکنند، براي چراغ هاي راهنمايي لازم نبود سه رنگ پيش بيني کنند، آن گونه که ما روي زمين مي کنيم بلکه کافي است چراغ بالايي هم مانند پاييني قرمز باشد.چون نور از بالا هنگامي که به ما مي رسد کمتر يا طول موجش بيشتر مي شود در ارتفاع پايين تر بسامدش کمتر يا طول موجش بيشتر مي شود و ما آن را سبز مي بينيم.اما چراغ پاييني که با ما اختلاف ارتفاعي ندارد هنگامي که روشن شود همان قرمز ديده مي شود.
اثري که توصيف آن گذشت اثر انتقال به سرخ گرانشي و يا گاهي اثر دوپلر گرانشي ناميده مي شود.اين اثر روي زمين بسيار اندک است.مثلاً اگر نوري از فاصله ي دور، که بتوان از ميدان گرانش اطراف آن چشم پوشيد، به سطح زمين برسد به علت گرانش زمين بسامد آن کم مي شود.نسبت اين بسامد کم شده به بسامد اوليه، که در اين مورد بسيار کمتر از يک است، بيانگر اثر دوپلر گرانشي است.معمول اين است که اين نسبت را يک انتقال به سرخ گرانشي مي نامند.اين انتقال به سرخ را، مانند اثر دوپلر و انتقال به سرخ کيهان شناختي، با حرف لاتين z نشان مي دهند.براي نوري که از کهکشان ها به زمين مي رسد z بسيار اندک است و مي توان از آن چشم پوشيد.
اما اين آخر داستان نيست!مدل انبساطي عالم منجر به انتقال به سرخ نوع ديگري هم مي شود که به آن انتقال به سرخ کيهاني يا هابلي (مرتبط با انبساط عالم همگن و همسانگرد)مي گويند.هنگام صحبت از اثر دوپلر متعارف متوجه شديم که اين اثر به سرعت چشمه ي نور و سرعت ناظر يا آشکارساز بستگي دارد.به علت حرکت خورشيد و نيز حرکت کهکشان ما نسبت به تابش زمينه ي کيهاني، که نوعي دستگاه سکون ممتاز در عالم را تشکيل مي دهد، در رصد هر جسم آسماني يک اثر دوپلر ناشي از اين حركت نيز مشاهده مي شود.سرعت حرکت کهکشان، احتمالاً به سوي صورت فلکي اسد، برابر 500 کيلومتر بر ثانيه است، که اين سرعت متناظر است با انتقال به سرخي برابر با0/0017که آن نيز مقدار اندکي است.اجرام آسماني نيز، مانند کهکشان خود ما، نسبت به تابش زمينه ي کيهاني حرکت خاصه اي دارند که باز هم به انتقال به سرخ اندکي منجر مي شود.آنچه مي ماند انتقال به سرخ کيهاني است.
انتقال به سرخ کيهاني ناشي از انسباط کل عالم است.از همان سال هايي که انتقال به سرخ کهکشان ها کشف شد و اخترشناسان در پي توضيح آن برآمدند، مشخص شد که اين انتقال به سرخ جهاني حکايت از انبساط کل عالم دارد.گرچه براي اين توضيح از همان اثر متعارف دوپلر استفاده شد، به زودي کيهان شناسان متوجه شدند که اين اثر ناشي از انبساط کل فضاست.اين انبساط نوعي سرعت نسبي ميان اجرام دور از هم ايجاد مي کند که اين سرعت با فاصله متناسب است.اما توجيه اثر دوپلر براي اين انتقال سرخ تنها براي z هاي کوچک، يا به عبارتي فاصله هاي کم، صادق است. براي فاصله هاي زياد توجيه اين انتقال به مدل کيهان شناختي وابسته است.در هرحال، آنچه درست است، اين است که انتقال به سرخ بيانگر درصد افزايش شعاع عالم از زمان گسيل نور تا دريافت آن است.مثلاً، انتقال به سرخ اختروش273 3c برابر0/16 است.اين بدين معناست که شعاع عالم اکنون، يعني در زمان دريافت نور آن،1/61=1+0/16برابر شعاع عالم به هنگام گسيل نور اختروش است.پس عالم در فاصله ي گسيل نور اين اختروش تا دريافت آن روي سطح زمين 16 درصد افزايش شعاع داشته است.اين تعبير درست همان انتقال به سرخ کيهاني است! البته توجه داشته باشيد که در اين تصوير از انبساط، ما هيچ تعبيري از چگونگي انبساط فضا مطرح نکرديم؛ گرچه گاهي اين انبساط را با انبساط يک بادکنک تشبيه مي کنيم، همواره متوجه ايم که سطح بادکنک از يک ماده ي کشسان ساخته شده است، در صورتي که هيچ گاه چنين تصوري از فضا و انبساط آن نداريم.نکته ي ديگر اين که در اين گونه مدل هاي عالم، همان گونه که قبلاً ذکر شد فرض اين است که کهکشان ها همچون نقطه هايي وصل به فضا هستند، به عبارتي ديگر بخشي از شاره ي کيهاني اند که فقط در انبساط عالم شرکت مي کنند و از حرکت خاصه ي خود آنها چشم پوشي مي شود.البته در اندازه گيري دقيق رصدي نه تنها بايد انتقال به سرخ ناشي از اين حرکت خاصه را در نظر گرفت، بلکه از اثرهاي دوپلر گرانشي و حرکت خاصه ي زمين نيز نبايد چشم پوشيد.
کيهان شناسان گرچه همواره به تفکيك اين سه اثر دوپلري اگاهند اكثرا به مسامحه از انتقال به سرخ كيهاني نيز به عنوان يك اثر دوپلر متعارف ياد مي كنند و ان را همين گونه تفسير مي كنند وحتي در كاتالوگ ها يا زيج هاي نجومي مي اورند.مثلا در زيجي امده است كه سرعت فرار كهكشاني 15000كيلومتر بر ثانيه است.منظور اين است كه انتقال به سرخ اين كهكشان 0/05 است واكنون شما نيز مي دانيد که معني اين عدد اين است که شعاع عالم از زمان گسيل نور اين کهکشان تا دريافت آن 5 درصد افزايش يافته است.
امروزه روش هاي پيچيده اي در اندازه گيري انتقال به سرخ اجرام دوردست آسماني ابداع شده است.اجرام دور آن قدر ضعيف اند و تعداد «فوتون ها»يي که از آنها دريافت مي کنيم به اندازه اي کم است که ديگر امکان طيف سنجي نور آنها وجود ندارد تا بتوان از آن طريق انتقال به سرخ آنها را تعيين کرد و تنها روش ممکن نورسنجي است.هنگامي که به اين طريق انتقال به سرخ اندازه گيري مي شود آن را انتقال به سرخ نورسنجشي مي نامند، که از روش هاي بسيار نوين رصدي است و مهارت بسياري مي خواهد.
براي انتقال به سرخ کيهاني تفسيرهاي ديگري نيز، غير از انبساط عالم، برخي از کيهان شناسان مطرح کرده اند که البته مقبوليت در جامعه ي دانشمندان نيافته است.
ماهنامه ي نجوم، ارديبهشت 1389