Csillagászat és optika

Vöröseltolódás két színképvonalból: az azonosítás is számít

Két eltérő nyugalmi hullámhossz ugyanarra a vöröseltolódásra vezethet. Egy rosszul azonosított vonal viszont számtanilag helyes, fizikailag félrevezető eredményt ad.

Dajka Gábor6 perc olvasás

Egy színképben megmért hullámhosszból akkor számolható értelmezhető vöröseltolódás, ha tudjuk, melyik nyugalmi vonalnak felel meg. A hullámhosszak behelyettesítése egyszerű; a fizikai azonosítás és a mérés ellenőrzése külön feladat.

Az alábbi 500 és 650 nanométeres nyugalmi vonalak saját, mesterséges szemléltető adatok. Nem nevezünk meg hozzájuk valódi atomot vagy megfigyelt csillagászati objektumot. A példa célja az arány, a mértékegység és a több vonallal végzett következetességi ellenőrzés bemutatása.

Mindkét vonalat a saját nyugalmi értékéhez mérd

A vöröseltolódás definíciója z = (λmegfigyelt − λnyugalmi)/λnyugalmi. Az első vonal nyugalmi hullámhossza 500 nm, a megfigyelt érték 600 nm. Ebből z = (600 − 500)/500 = 0,2.

A második vonal nyugalmi értéke 650 nm, a megfigyelt hullámhossz 780 nm. Itt z = (780 − 650)/650 = 0,2. A két vonal eltérő nanométeres eltolódása ugyanazt a dimenzió nélküli arányt adja.

Az első abszolút eltolódás 100 nm, a második 130 nm. Ezek egyszerű egyezését keresni hibás ellenőrzés lenne. A közös z azt jelenti, hogy mindkét hullámhossz 1,2-szeresére nőtt. A vöröseltolódás-kalkulátor ezt vonalanként külön számítja ki.

Egy téves vonalazonosítás is adhat szép számot

Tegyük fel, hogy a 780 nm-es megfigyelt vonalat tévedésből egy 600 nm-es nyugalmi vonalhoz rendeljük. A képlet ekkor (780 − 600)/600 = 0,3 értéket ad. A számítás helyes a beírt adatokra, de a beírt megfeleltetés eltér az eredeti példától.

A 0,2 és 0,3 eltérése ezért figyelmeztető jel. Vizsgálni kell a vonalazonosítást, a műszer kalibrációját, a felbontást és a mérési bizonytalanságot. Két egyező eredmény sem bizonyít minden részletet; több, egymástól függetlenül azonosított jel erősebb ellenőrzési alap.

A nyers spektrumot, a kiválasztott vonal helyét és az azonosításhoz használt referenciát együtt érdemes megőrizni. Egy végső z érték önmagában nem teszi megismételhetővé a teljes elemzést.

A nanométert és az angströmet ne keverd össze

Az 500 nm ugyanaz a hullámhossz, mint 5000 Å; 600 nm = 6000 Å. Azonos egységben számolva mindkét számpár 0,2-t ad. Ha az egyik helyre 6000-et, a másikra 500-at írnál egységváltás nélkül, tévesen z = 11 jönne ki.

A mértékegység-átváltó és a beviteli címke együtt segít az egységellenőrzésben. Az átváltott adatnak ugyanahhoz a méréshez és vonalhoz kell tartoznia; a jól átváltott, rosszul azonosított hullámhossz továbbra is hibás bemenet.

A z értékből ne készíts automatikusan sebességet

Az OpenStax színképi Doppler-fejezete a hullámhossz-eltolódás mérését tárgyalja. Nagy eltolódásnál a kis sebességre érvényes közelítés használata különösen félrevezető lehet.

Például z = 1 a hullámhossz megkétszereződését jelenti. Kizárólag a tisztán sugárirányú, speciális relativisztikus Doppler-modellben a megfelelő v/c = ((1 + z)² − 1)/((1 + z)² + 1) = 3/5 = 0,6. Ez nem azonos a kis sebességű v/c ≈ z közelítéssel. A relativisztikus fény-Doppler összefüggés a két inerciarendszer közötti sugárirányú esetet írja le.

A kozmológiai vöröseltolódás értelmezéséhez más modell szükséges. A hullámhosszarányból önmagában sem távolságot, sem egyértelmű kozmológiai távolodási sebességet nem állítunk elő.

Egy állandó kalibrációs eltolás másképp hat a két vonalra

Tegyük fel egy új próbában, hogy az 500 és 650 nm-es mesterséges nyugalmi vonalat 601 és 781 nm-en mérjük. A közvetlen hányadosok z₁ = 0,202, illetve z₂ ≈ 0,201538. A különbség kicsi, de a két érték pontos számként kezelve nem azonos.

Vizsgáljunk meg egy lehetséges mérési modellt: a valódi közös hullámhosszarány mellé ugyanakkora, állandó b nanométeres eltolás adódik. Ekkor a két mérés alakja 601 = 500s + b és 781 = 650s + b, ahol s = 1 + z. Az egyenleteket kivonva 180 = 150s, ezért s = 1,2, és visszahelyettesítve b = 1 nm.

Ebben a modellben az egy nanométeres eltolás levonása után újra 600 és 780 nm, mindkét vonalból z = 0,2 adódik. Az állandó nanométeres hiba a rövidebb nyugalmi hullámhossznál nagyobb z-eltérést okoz: itt 1/500 = 0,002, a hosszabbnál 1/650 ≈ 0,001538 a változás.

A két szabad paraméterrel a két megadott pont illeszthető, ezért ez még nem bizonyítja a kalibrációs hiba tényleges létét. Egy harmadik, önállóan azonosított 700 nm-es nyugalmi vonalra a modell 1,2 × 700 + 1 = 841 nm mért helyet jósolna. Ezt új megfigyeléssel, illetve a műszer külön kalibrációjával lehet összevetni. Az eltolódás mérését bemutató színképi leírás szerinti fizikai értelmezés előtt a nyugalmi megfeleltetés és a mérési skála egyaránt ellenőrizendő.

Gyakori kérdések

Miért különbözik a két vonal nanométeres eltolódása?

Azonos z mellett a nyugalmi hullámhossz arányában változik az abszolút eltérés. A hosszabb nyugalmi hullámhossz nagyobb nanométeres eltolódást ad.

Negatív z lehetséges?

Igen, ha a megfigyelt hullámhossz kisebb a megfelelő nyugalmi értéknél. A fizikai ok értelmezéséhez ilyenkor is ismerni kell a megfigyelési helyzetet.

Az egyező z bizonyítja a vonalak helyes azonosítását?

Hasznos következetességi ellenőrzés, de önmagában nem teljes bizonyíték. A teljes színkép és a mérés körülményei is számítanak.

Záró tudáspróba

Válassz kérdésenként egy választ. A megoldások ellenőrzése után minden helyes válaszért 1 pontot adj magadnak; a hibás, kihagyott vagy több válasszal megjelölt kérdés 0 pont. Összesen 0–3 pont szerezhető.

1. Az 500 → 600 nm és 650 → 780 nm vonalpár miért ad azonos z-t?

  • A) Mert mindkettő 100 nm-rel tolódik el.
  • B) Mert mindkét hullámhossz a nyugalmi érték 1,2-szerese.
  • C) Mert a két nyugalmi hullámhossz azonos.

2. Az új 601 és 781 nm mérésre az s közös arány és b állandó eltolás modelljét illesztjük. Mi adódik?

  • A) s = 1,2 és b = 1 nm.
  • B) s = 0,2 és b = 0 nm.
  • C) s = 1 és b = 100 nm.

3. Mit jelent a modell 841 nm-es jóslata egy 700 nm-es nyugalmi vonalra?

  • A) A két korábbi pont már bizonyította a műszer hibáját.
  • B) A harmadik vonal tényleges mérését 841-re kell javítani.
  • C) Új, külön ellenőrizhető előrejelzést, amely segíthet megvizsgálni az illesztett mérési modellt.

Megoldások és pontszám

1. B. A relatív eltolódás számít: 600/500 = 780/650 = 1,2. Az abszolút eltérések 100 és 130 nm.

2. A. A két egyenlet különbsége 180 = 150s, innen s = 1,2. Ezután 601 − 500 × 1,2 = 1 nm.

3. C. A harmadik vonal nem szerepelt a két paraméter illesztésében. Az egyezés vagy eltérés ezért új információt ad, a fizikai azonosítás és a kalibráció ellenőrzése mellett.

3 pont: Az arányt és a közös műszereltolás lehetőségét is elkülönítetted. A saját méréseknél a nyers vonalhelyet és a kalibráció adatait is őrizd meg.

2 pont: Az 1. kérdéshez a két 1,2-es arányt, a 2.-hoz a két kalibrációs egyenlet kivonását, a 3.-hoz az önálló harmadik vonalat nézd át.

0–1 pont: Minden megfigyelt vonalat a saját, azonos egységű nyugalmi értékével párosíts. Ezután nézd meg, arányos vagy állandó hullámhosszú eltérés írhatja-e le a különbségeket.

További cikkek

Kapcsolódó olvasnivalók

Gyorskereső

Kalkulátorok és útmutatók keresése

↑↓ választásEnter megnyitásEsc bezárás