Uitdaging: meet het hele universum zonder een liniaal te gebruiken

Een liniaal is genoeg om objecten van ons dagelijks leven te meten. Maar als iets te klein is, hebben we speciale apparatuur nodig, zoals elektronenmicroscopen en een nieuwe meetschaal, om bijvoorbeeld de lengte van een cel of virus te berekenen. Maar wanneer moet het object enorm worden gemeten?

En pas op: groot hier is iets veel groters dan Taipei 101, het derde hoogste gebouw ter wereld. We hebben het over zoiets groots dat het zelfs in de verbeelding moeilijk is om zwanger te worden. We hebben het over de grootte en afstanden van ons universum. "Van ons" omdat er mogelijk meer dan één is.

Helaas hebben we geen liniaal die iets kan meten dat lichtjaren van hier is, dat wil zeggen dat het zo ver weg is dat als we met de snelheid van het licht zouden reizen, het jaren zou duren om ons object van studie te bereiken. Daarom omzeilen wetenschappers deze moeilijkheid met behulp van gevestigde fysieke en wiskundige concepten.

Parallax: Hoe ver zijn de sterren?

Zoals uitgelegd in de video hierboven, is parallax een van de vormen die wordt gebruikt door iedereen die de afstand van een ster hier van de aarde wil meten. Om het concept achter deze methode beter te begrijpen, is er een zeer didactisch voorbeeld gepresenteerd in de film geproduceerd door Greenwitch's Royal Observatory.

Als je rijdt, kun je zien dat de bomen en alles in de buurt van de snelweg je snel passeren, maar wat verder weg is, zoals een verre berg aan de horizon, beweegt bijna nooit. Dit komt door een effect dat bekend staat als parallax en gelukkig kunnen we het gebruiken om afstanden te schatten.

Met een beetje trigonometrie kunt u de afstand van objecten schatten (Afbeeldingsbron: Playback / Vimeo)

Stel je dan voor dat je wilt weten hoeveel meter een boom van je auto verwijderd is. Eerst moet een foto van de boom worden gemaakt, met de berg op de achtergrond. Volg vervolgens de snelweg voor je en maak nog een soortgelijk beeld van dezelfde boom en dezelfde berg, maar dan vanuit een andere positie.

Vervolgens is het met behulp van wiskunde, met name trigonometrie, mogelijk om het verschil in de zichtbare positie van de boom in de twee afbeeldingen te berekenen en op basis daarvan de afstand van de fotograaf tot de boom te bepalen.

Dezelfde techniek kan worden gebruikt om de afstand van ons tot de dichtstbijzijnde sterren te berekenen, behalve dat we in plaats van een weg af te lopen om het tweede beeld te krijgen, de beweging van de aarde rond de zon gebruiken. maanden later, wanneer je naar dezelfde ster kijkt, kun je zien dat deze "bewoog" ten opzichte van de verder weg gelegen sterren.

Standaard kaarsen: afstand berekend op basis van helderheid

Standaardkaarsen kunnen u helpen de afstand van verdere sterren te berekenen (Afbeeldingsbron: Playback / Vimeo)

Maar zoals we eerder zeiden, er zijn sterren die van zo ver weg geen verschillende schijnbare posities hebben. In dit geval helpt de parallax niet. Maar gelukkig is er een andere manier om deze afstand te schatten, en om het duidelijk te maken, laten we naar een ander didactisch voorbeeld gaan.

Stel je voor dat je in een park bent en een straatlantaarn ziet. Welnu, terwijl je weggaat, begint het licht te vervagen en, naarmate je dichterbij komt, helderder. Interessant is dat door de helderheid van de lamp te weten - zeg 40 W - het mogelijk is om de afstand van de spot tot de kijker te schatten.

Er zijn echter lampen die er heel helder uit kunnen zien als ze ver weg zijn en niet zo sterk als ze dichterbij zijn. Deze objecten met bekende helderheid worden "standaardkaarsen" genoemd en alleen zij kunnen worden gebruikt om afstanden te schatten.

In het universum zijn er verschillende lichamen die kunnen worden gebruikt als standaardkaarsen. Een voorbeeld hiervan zijn de sterren van de neef, gele superreuzen die hun helderheid over een regelmatige tijdsperiode verhogen en verlagen. Op basis van deze helderheid kunnen we de afstand van de aarde tot hen en zelfs de melkweg waarin ze zich bevinden berekenen.

Roodverschuiving: het meten van de uiteinden van het universum

Doppler-effect kan worden opgemerkt op brandweerwagensirenes (Afbeeldingsbron: Playback / Vimeo)

Hoewel praktisch, heeft de standaardzeilmethode ook beperkingen. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat het op afstand te meten object wordt geblokkeerd door een ander hemellichaam en dat de helderheid ervan niet kan worden waargenomen. Bovendien kunnen er nog geen standaard Galaxy-zeilen worden gemeten. In dergelijke gevallen kan een derde methode worden gebruikt.

Het Doppler-effect moet heel populair zijn geworden toen het het fantasiemotief was dat Sheldon gebruikte in een aflevering van het eerste seizoen van The Big Bang Theory. Voor degenen die het niet weten, dit is het effect dat verantwoordelijk is voor de vervorming die optreedt met het geluid van vuur en politiesirenes die langs iemand passeren.

Dit komt omdat de bovenkanten van de geluidsgolf die door het voertuig wordt uitgestraald er vóór zich dichterbij zijn dan in de achterkant van de auto en dit heeft direct invloed op de sirenefrequentie: wanneer het voertuig nadert, is het geluid luider en, als je afstand neemt, wordt het serieuzer.

Interessant is dat dit effect ook bewegende lichtobjecten treft, behalve dat de kortere in plaats van scherpe golven blauw worden, terwijl de langere in plaats van basgolven rood worden. Op basis van deze blauwe of rode verschuiving kunnen we de beweging van hemellichamen in de ruimte bestuderen.

Hoe roder hoe verder

Iets vergelijkbaar met het Doppler-effect gebeurt met licht (Afbeeldingsbron: Playback / Vimeo)

Dus, door sterrenstelsels te observeren die standaardzeilen hebben, hebben astronomen ontdekt dat ze ook een roodverschuiving hebben en dat hoe verder een sterrenstelsel is, hoe groter het verschuiven zal zijn.

Tegenwoordig weten we dat dit komt omdat ons universum zich uitbreidt, dat wil zeggen, hoezeer ze ook lijken te zijn, deze sterrenstelsels gaan steeds verder van ons af. Maar dat is niet alleen de reden waarom we deze rode verschuiving opmerken.

De waarheid is dat de ruimte tussen deze sterrenstelsels en onze planeet zich uitstrekt, net als de lichtgolven die ons bereiken. Dus kijk eens hoe intens deze rode verschuiving is om de afstand van het hemellichaam tot ons te berekenen.

Interessant is dat al deze meetmethoden samenhangen. Alleen omdat we de grootte van ons zonnestelsel en de afstand van de aarde tot de zon kennen, kunnen we bijvoorbeeld de afstand van sterren via parallax meten.

En als we de afstand van standaardkaarsen weten via parallax, kunnen we ze gebruiken om nog verder weg gelegen sterren te meten door deze kaarsen te vergelijken. En ten slotte, door de standaardzeilen te gebruiken om de beweging van sterrenstelsels te bestuderen, kunnen we vervolgens een meting berekenen op basis van de roodverschuiving. Interessant, toch?

Bron: Royal Observatory Greenwich / Vimeo