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Lexikon der Astronomie

Rotverschiebungsfaktor

Beziehung zwischen Rotverschiebungsfaktor g und Rotverschiebung z Der Rotverschiebungsfaktor g ist so definiert, dass man den Quotienten der Frequenz von Photonen im Beobachtersystem zu der im Emittersystem bildet. Im Prinzip entspricht das dem Verhältnis von der zeitlichen Komponente des Photonenimpulses im Beobachter- zu dem im Emittersystem. Der Rotverschiebungsfaktor g ist ein alternativer Parameter zur Rotverschiebung z. Wie man von einer Größe auf die andere transformiert, zeigt die Gleichung rechts. In der Analyse von Spektren hat sich eingebürgert, den Rotverschiebungsfaktor zu verwenden, während man in der Kosmologie die Rotverschiebung verwendet, vor allem, um die Entfernung zu parametrisieren.

Doppler-Effekt vs. Expansion der Raumzeit

Die Rotverschiebung in einem Spektrum zwischen Ruhewellenlänge und beobachteter oder Laborwellenlänge (siehe auch Laborsystem) kann verschiedene physikalische Ursachen haben. Führt man sie auf eine Relativbewegung zurück, die den Abstand zwischen Emitter und Beobachter vergrößert, so spricht man vom Doppler-Effekt. Die kosmologische Rotverschiebung wird so interpretiert, dass sich entfernte kosmische Quellen von der Erde weg bewegen, weil sie von der expandierenden Raumzeit des Universums mitgezogen werden (vergleiche Friedmann-Weltmodell). Dennoch sollte man die Doppler-Bewegung qualitativ von einer eingebetteten Bewegung in einer expandierenden Raumzeit unterscheiden. Denn im Unterschied zu einer Bewegung im Sinne der klassischen Mechanik (mit statischem Hintergrund) ist der expandierende Kosmos ein dynamischer Bezugsrahmen. Lokal (z ~ 0) wird dieser kosmische, großskalige Prozess von Blauverschiebungen überlagert, weil sich nahe Galaxien, wie der Andromedanebel auf die Milchstraße zu bewegen.

Gravitationsrotverschiebung: Schwerkraft zieht am Licht

Die Rotverschiebung kann auch von einzelnen starken Gravitationsquellen bewirkt werden, weil sie die Raumzeit in ihrer Umgebung stark krümmen und Strahlung am Entkommen zu hindern suchen. Diese gravitative Rotverschiebung heißt im Allgemeinen Gravitationsrotverschiebung. Solche Effekte sind besonders interessant bei Kompakten Objekten, wie Neutronensternen und Schwarzen Löchern. Was die Gattung der letztgenannten Objekte betrifft, so hat Brandon Carter 1968 mithilfe des Hamilton-Jacobi Formalismus Ausdrücke für die Photonenimpulse im ZAMO-System für die Kerr-Metrik rotierender Schwarzer Löcher hergeleitet. Transformiert man diese ZAMO-Impulse über eine Lorentz-Transformation ins Ruhesystem der Materie, so liefert der Quotient gerade den Rotverschiebungsfaktor (g-Faktor).

relativistisch verallgemeinerter Dopplerfaktor g

Der so relativistisch verallgemeinerte Dopplerfaktor (alternativ auch verallgemeinerter Rotverschiebungsfaktor genannt) beinhaltet dann sämtliche relativistischen Effekte, die in der Umgebung Schwarzer Löcher eine Rolle spielen. Zu diesen Effekten zählen der Doppler-Effekt, (Forward- und Back-) Beaming sowie Gravitationsrotverschiebung. Sie beeinflussen die Strahlung, die nahe Schwarzer Löcher emittiert wird besonders stark. Auch das Geschwindigkeitsfeld des emittierenden Plasmas (Rotation, Drift, Akkretion, Ejektion, Wind) hinterlässt Spuren in der Strahlung. All das ist im relativistisch verallgemeinerten Dopplerfaktor der Kerr-Geometrie enthalten (Gleichung des g-Faktors).

Kosmologie

Die kosmologische Rotverschiebung z kann aus Spektren astrophysikalischer Objekte bestimmt werden, indem man die beobachtete Wellenlänge oder Frequenz mit der des Ruhesystems ins Verhältnis setzt. In der Analyse vergleicht man charakteristische Spektrallinien oder spektrale Komponenten (z.B. Lyman-Alpha-Kante) im Ruhesystem und im Beobachtungssystem. Die Rotverschiebung z ist aufgrund des Hubble-Effekts ein Maß für die Entfernung der Objekte: je weiter sie entfernt sind, umso höher ist z. Dies ist das Hubble-Gesetz mit einer Proportionalitätskonstante, der Hubble-Konstante (sprachlich besser: Hubble-Parameter, da sie nicht zeitlich konstant ist über große Zeiträume). Bei bekannten kosmologischen Parametern (Hubble-Parameter, Materieinhalt des Universums, Dunkle Materie, Dunkle Energie bzw. kosmologische Konstante) erhält man einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Rotverschiebung z und Entfernung. Da diese Parameter einer 'gewissen Mode' bzw. Streuungsbreite unterlagen und mit vielen Publikationen und Beobachtungen über die Jahre wechselten, gibt man mittlerweile oft nur z als Entfernungsindikator an. Den Entfernungsrekord hält zurzeit eine Galaxie bei z ~ 10. Bei diesen Entfernungen schaut man so weit in die Vergangenheit des Universums, dass man neutrale Bereiche im intergalaktischen Medium erkennt, also vor die Epoche der Reionisation.
Die räumliche Verteilung von z im Universum belegt bis auf lokale Blauverschiebungseffekte die Fluchtbewegung der Galaxien. Sie 'schwimmen' mit dem expandierenden 'Raumzeit-Strom'. Dies ist neben der kosmischen Hintergrundstrahlung (auch Drei-Kelvin-Strahlung) das schwerwiegendste Argument für den Urknall und falsifiziert alle Modelle von Statischen Universen.

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