Kirjain D: Dopplerin ilmiö

Kirjain d:n aiheen keksiminen aiheutti eniten pulmia tähänastisista kirjainteksteistä. Harva suomenkielinen luonnontieteisiin liittyvä sana alkaa d-kirjaimella (anglismeja ei nyt lasketa), ja niistäkin suurin osa liittyy matemaattisiin käsitteisiin. Toinen sanaryhmä sisältää d-alkuisia tutkijoiden nimiä ja heidän mukaansa liittyviä ilmiöitä. Valitsinkin Dopplerin ilmiön, sillä se liittyy sekä tähtitieteeseen että arkiseen kokemukseen autotien pientareella.

Ohittavan ambulanssin ääni

Olet varmaan joskus huomannut, että ohiajavan ambulanssin sireeni kuulostaa erilaiselta silloin kun ambulanssi lähestyy, sekä paikallaan olevaan sireeniin että loittonevan sairasauton ääneen verrattuna. Etenkin ohituskohta (äänen aallonpituuden muuttumishetki) kuulostaa hassulta. Ilmiötä kutsutaan Dopplerin ilmiöksi löytäjänsä, itävaltalaisen Christian Dopplerin, mukaan.

Dopplerin ilmiön selitys on seuraavanlainen. Paikallaan oleva äänen lähde lähettää pallomaisia ääniaaltoja tasaisesti joka suuntaan. Liikkuva äänen lähettäjä saa lähettämiään ääniaaltoja kiinni: aallot ikäänkuin pakkautuvat liikkuvan ambulanssin eteen. Ilmiö voidaan kuvailla matemaattisen tarkasti mutta pitkäveteisyyden minimoimiseksi tyydyn mallikuvaan meteliä pitävästä formula-autosta:

Ääniaallot pakkautuvat liikkuvan auton eteen. Mukailtu astronomycgsc.co.uk:n kuvasta.

Ihmiskorvan aistimusta äänen korkeudesta vastaa täsmällisesti ääniaallon aallonpituus: mitä pienempi aallonpituus, sitä korkeampi ääni. Aallonpituus tarkoittaa aallon kahden peräkkäisen huipun välimatkaa. Kun äänen lähde liikkuu eteenpäin, aallonhuiput lähestyvät toisiaan (eli aallonpituus pienenee) lähteen etupuolella ja etääntyvät toisistaan lähteen takapuolella. Tämän vuoksi kuulemme lähestyvän ambulanssin sireenin äänen korkeampana kuin etääntyvät ambulanssin sireenin äänen.


Valo(kin) on aaltoliikettä


Valon perusominaisuuksia (eteneminen, taittuminen, heijastuminen) voidaan kuvata aaltoliikkeellä. Tämä on tiedetty jo hyvin pitkään. Vasta 1900-luvun moderni fysiikka vaati valon tarkempaa kuvailua (fotoneista ja kenttäteorioista kenties lisää myöhemmin). Valon aaltoluonne tarkoittaa, että äänen Dopplerin ilmiön vastineen täytyy olla olemassa.

Ihmissilmä aistii näkyvän valon aallonpituudet seuraavasti: mitä pidempi valon aallonpituus, sitä punaisempi väri. Lyhyt aallonpituus vastaa sinistä väriä. Karkeasti näkyvän valon aallonpituuden suuruus on noin sadasosa hiuksen paksuudesta.

Valon aallonpituuden ja värin vastaavuus. Pituuden yksikkönä nanometri eli millimetrin miljoonasosa.

Kuvitellaan punaista lamppua. Jos se lähestyy meitä erittäin nopeasti, sen valon aallonpituus pienenee Dopplerin ilmiön johdosta ja lampun väri näyttää meistä hiukan oranssimmalta (aallonpituus siirtyy kohti kuvan spektrin sinistä päätä). Tätä kutsutaan valon punasiirtymäksi. Vastaavasti loittoneva lamppu näyttää aina aavistuksen punaisemmalta kuin paikallaan odotteleva valonlähde. Jotta ilmiö tulee kunnolla esiin, nopeuksien pitää olla erittäin suuria, eli maanpäällisissä valon Dopplerin ilmiöissä ei suuria valon värin vaihteluita esiinny. Avaruudessa tilanne on toinen: huimat nopeuden ovat varsin yleisiä.


Maailmankaikkeuden laajenemisen mittaaminen

Tähtitieteellisten kohteiden spektreissä (valon intensiteetti ,"voimakkuus", eri aallonpituuksilla) esiintyy tyypillisesti ohuehkoja spektriviivoja, jotka kertovat säteilyn lähettäjän ominaisuukista. Esimerkiksi Auringon koostumus saatiin 1800-luvulla selville vertaamalla sen valon spektriä laboratoriossa kuumuuttaan hehkuvien kaasujen spektriin.

Otetaan tarkasteltavaksemme 1 kpl galakseja. Tyypillisen galaksin spektristä valitsemme vaikkapa erään Ballmer-sarjan vedyn viivan. Jos etäinen galaksimme liikkuu maapallon suhteen, voimme laskea liikkumisnopeuden vertaamalla spektriviivan aallonpituutta laboratoriomittauksen (kaikki kohteen paikallaan toistensa suhteen) tulokseen.

Yllä: laboratoriomittauksia spekriviivoista. Alla: loittonevan galaksin punasiirtynyt spektri: kaikki viivat ovat siirtyneet spektrin punaisen pään suuntaan. Kuva: redshift-live.

1920-luvulla havaittiin että galaksien liikkeet taivaalla sisältävät satunnaisen liikkeen lisäksi toisenkin komponentin: suuren nopeuden meistä poispäin. Tämä kosmologinen punasiirtymä on tärkein todiste maailmankaikkeuden laajenemiselle, vaikkei matemaattisessa mielessä aivan klassista Dopplerin ilmiötä vastaakaan.

Kirjoitus D-kirjaimesta lojui lähes valmiina koneella pitkään. Jos sitä vaikka yrittäisi saada E-kirjaimen tekstin hiukan nopeammin valmiiksi.

Päivitys Ceres-postaukseen: Dawn-luotain lähestyy Cerestä tasaiseen tahtiinsa. Kääpiöplaneetan pinnalta on havaittu jo uusia yksityiskohtia, kuten monia valkoisia pilkkuja: http://dawn.jpl.nasa.gov/multimedia/animation_Ceres.asp (katso kuvat :p). Kuvien resoluutio paranee päivä päivältä etäisyyden kohteeseen pienentyessä.