Wat is een roodverschuiving en hoe bewijst dit dat het heelal uitdijt?
Wat is roodverschuiving eigenlijk?
Roodverschuiving is simpelweg het 'rekken' van licht. Stel je voor dat je een springveer in je handen hebt.
Als je de uiteinden van de veer uit elkaar trekt, wordt de veer langer. Precies hetzelfde gebeurt met lichtgolven als ze door de ruimte reizen. Licht bestaat uit golven met een bepaalde golflengte.
Die golflengte bepaalt de kleur. Blauw licht heeft een korte golf, rood licht een lange golf.
Als een ster of een sterrenstelsel van ons af beweegt, gebeurt er iets met het licht dat het uitzendt. De golven worden uitgerekt. Ze worden langer. Daardoor schuift de kleur op: van blauw naar geel, en van geel naar rood. In de astronomie noemen we dat 'roodverschuiving'.
Het is hetzelfde effect als het geluid van een voorbijrijdende ambulance: het geluid verandert van toonhoogte als hij op je afkomt en weer van je afrijdt. Dat heet het Dopplereffect.
Denk aan een elastiekje met streepjes erop. Trek je het elastiek op, dan worden de streepjes verder uit elkaar. Zo'n streepje is een lichtgolf. Als je hem uittrekt, wordt hij roder.
Roodverschuiving is de lichtversie daarvan. Er zijn twee soorten roodverschuiving. De eerste is de 'Doppler-roodverschuiving'.
Dat is puur beweging. Als een ster van je af beweegt, wordt zijn licht roder.
De tweede, en veel belangrijkere, is de 'cosmologische roodverschuiving. Hier gaat het niet om beweging door de ruimte, maar om de uitzetting van de ruimte zelf.
De meetlat van de kosmos: hoe doen we dit?
Hoe weten we dit allemaal? Het begint met licht en een simpele truc.
Als je door een telescoop kijkt, kun je niet zomaar de kleur meten. Daarvoor gebruiken sterrenkundes een spectrograaf. Dat is een apparaatje dat je voor je oculair kunt schroeven, bijvoorbeeld van merken als Baader Planetarium of ZWO. Het breekt het licht uiteen in een regenboog, net als een prisma.
In die regenboog zie je donkere lijnen. Dat zijn absorptielijnen. Ze zijn als een soort streepjescode.
Ze vertellen je welke chemicaliën in de ster zitten. In het bijzonder herkennen we de donkere lijnen van waterstof op een vaste plek in het blauwe deel van het spectrum.
Die plek is een soort 'thuisbasis'. Als je die lijnen verschoven naar het rood ziet, weet je direct hoeveel. Die meetwaardes noemen we de 'z'.
Een roodverschuiving van z=0,1 betekent dat de golflengte 10% langer is geworden. Een waarde van z=1 betekent dat de golflengte verdubbeld is (100% langer).
De James Webb-ruimtetelescoop kan nu roodverschuivingen van z=10 tot 13 meten. Dat betekent dat we terugkijken naar de allereerste sterren die ooit ontstonden, kort na de oerknal.
De bewijzen: waarom het heelal uitdijt
Hoe bewijst zo'n kleurtje nu dat het heelal groter wordt? De eerste cruciale stap werd gezet door Edwin Hubble in 1929. Hij keek naar sterrenstelsels en mat hun roodverschuiving.
Hij ontdekte een simpel verband: hoe verder een stelsel van ons af staat, hoe groter de roodverschuiving.
Hoe roder het licht, hoe harder het stelsel van ons af lijkt te bewegen. Stel je een ballon voor die je opblaast.
Teken er stippen op. Als je de ballon opblaast, zien alle stippen dat de andere stippen van hen afdrijven. Een stip die dichtbij zit, ziet de buurman een klein eindje wegdrijven.
Een stip verderop ziet een stip aan de andere kant van de ballon veel sneller wegdrijven.
Zo is het ook in het heelal. Wij zitten hier met onze telescoop en we zien alle verre sterrenstelsels van ons af bewegen, al beïnvloedt de atmosfeer ons zicht op de sterren natuurlijk altijd. Dit is het tegenovergestelde van wat je zou verwachten als de sterrenstelsels door de ruimte zouden 'vliegen' zoals auto's op een snelweg. Dan zou je willekeurige snelheden zien.
Het feit dat er een relatie is tussen afstand en snelheid (de Hubble-constante) is het bewijs dat het de ruimte zelf is die rekt. De ruimte zelf groeit.
En daarmee groeien de afstanden tussen de sterrenstelsels mee. Een tweede bewijs is de 'time-dilatation'.
De kosmische roodverschuiving is niet alleen een kleurverschuiving, het is ook een tijdsverschuiving. Licht van een ver stelsel met een hoge roodverschuiving doet er langer over om bij ons te komen. Het betekent dat we in het verleden kijken.
En wat we zien, bevestigt dat de kosmos vroeger veel dichter was en heter. De roodverschuiving is als een gigantische tijdmachine.
Praktisch kijken: wat kun je zelf zien?
Als beginner met een telescoop ga je de roodverschuiving niet meten met een eigen spectrograaf. Daar heb je professionele apparatuur voor nodig.
Maar je kunt het effect wel waarnemen als je weet waar je moet kijken. Je hoeft geen €500,- spectrograaf te kopen. Je kunt het zien in de kleur van objecten.
Neem een object als de Planetaire Nevel M57, de Ringnevel, in het sterrenbeeld Lier.
Deze nevel is groen door zuurstof. Als je echter naar de Orionnevel (M42) kijkt, zie je roodrode tinten. Dat is waterstof. De echte kosmische roodverschuiving zie je bij extreem verre quasars. Deze zijn vaak fel rood.
Een quasar met een roodverschuiving van z=4 is voor het blote oog vaak niet meer te zien, maar met een telescoop van 20cm aperture (zoals een Sky-Watcher FlexTube) en veel geduld is het een stipje. Het mooiste voorbeeld van de uitdijing is de kosmische achtergrondstraling (CMB).
Dit is een fascinerend overblijfsel van de oerknal. Oorspronkelijk was dit straling fel wit heet. Door 13,8 miljard jaar uitdijing is het nu afgekoeld tot microgolven.
Het is nu 'roodverschoven' tot radiofrequenties. Radiotelescopen en satellieten zoals Planck hebben deze kaart gemaakt.
Het is het ultieme bewijs: de straling is letterlijk uitgedijd. Wil je zelf de evolutie van het heelal zien? Kijk dan naar de Pleiades (M45). Die zijn blauw.
Ze zijn jong en 'snel'. Kijk daarna naar een oud sterrenstelsel in de Coma-krul (Abell 1656), of ontdek waar kometen vandaan komen.
Die zijn geler en roder. Ze zijn ouder en staan verder weg. In je eigen telescoop zie je de leeftijd van de kosmos.
Checklist: Ben jij er klaar voor?
Voordat je je telescoop optuigt om de geschiedenis van het universum te aanschouwen, loop je deze checklist even na. Het gaat erom dat je de basis goed hebt staan.
- Check de lucht: Is het helder?
- Check je materiaal: Werkt je uitrusting?
- Check je doel: Weet je wat je zoekt?
- Check je kennis: Begrijp je het concept?
- Check je tijd: Plan je waarneming.
Geen bewolking en zo min maanlicht (rond de nieuwe maan). Vochtigheid kan storen, maar koude lucht is vaak helderder. Heb je je telescoop (bijv. een 10-inch Dobson) goed uitgelijnd?
Zitten de oculairen schoon? Een verrekijker (8x42) is handig om te vinden.
Download een app zoals Stellarium of SkySafari. Zoek op 'quasars' of 'verre sterrenstelsels'. Kies er een die vandaag hoog aan de hemel staat.
Herinner je: Licht dat roder is, komt van een object dat van ons af beweegt (of ruimte die uitzet). Het is een teken van veraf.
Wacht tot het echt donker is, minimaal 2 uur na zonsondergang. Laat je telescoop 30 minuten acclimatiseren aan de buitenlucht voor scherp beeld.
Als je deze stappen hebt doorlopen, sta je niet alleen te kijken naar lichtpuntjes. Je kijkt naar de ademhaling van het heelal. Elke meter die de ruimte uitzet, maakt het licht een stukje roder. Je bent de getuige van de grootste show die er is: de eindeloze expansie van ons universum.