Dopplerverschiebung

Dopplerverschiebung bezeichnet die Veränderung der Frequenz oder Wellenlänge von Wellen, die durch die relative Bewegung zwischen Quelle und Beobachter entsteht. Der Effekt tritt bei Schall, Licht und anderen Wellen auf und äußert sich als Blueshift (höhere Frequenz, kürzere Wellenlänge) oder Rotverschiebung (niedrigere Frequenz, längere Wellenlänge).

Klassische Dopplerverschiebung (Schall)

Bei Schallwellen in einem Medium gilt f' = f (v + v_o) / (v - v_s), wobei v die Schallgeschwindigkeit im Medium ist, v_o die Geschwindigkeit des Beobachters in Richtung der Quelle und v_s die Geschwindigkeit der Quelle in Richtung des Beobachters. Wendet sich der Beobachter schneller auf die Quelle zu oder die Quelle auf den Beobachter zu, erhöht sich f'. Entfernt sich die Quelle oder bewegt sich der Beobachter von ihr weg, sinkt f'. Diese Formulierung setzt eine nicht-relativistische Relation voraus und hängt stark vom Medium ab.

Relativistische Dopplerverschiebung (Licht)

Für elektromagnetische Wellen wie Licht muss die Relativitätstheorie berücksichtigt werden. Bei Bewegung entlang der Sichtachse gilt f' = f sqrt((1 + β) / (1 - β)) bei Annäherung und f' = f sqrt((1 - β) / (1 + β)) bei Wegnahme, wobei β = v/c. Bei transverse Bewegung tritt zusätzlich der Transverse-Doppler-Effekt auf, f' = f / γ. In der Astronomie wird die Dopplerverschiebung genutzt, um Radialgeschwindigkeiten von Objekten oder die kosmische Expansionsrate abzuschätzen.

Rolle und Anwendungen

Dopplerverschiebung dient in der Praxis der Bestimmung von Geschwindigkeiten (Radialkomponente) von Sternen, Galaxien und Exoplaneten, Radar- und Sonografie-Messungen sowie der Charakterisierung von akkretierenden Objekten und Materialien. Historisch stammt der Effekt von Christian Doppler (1842).