«

»

Mar 23 2014

Efecto Doppler y el desplazamiento al rojo

Esta semana ha sido muy importante en lo referente a la cosmología (ver artículo “Los físicos acarician el sueño de una teoría unificada“). Si hay un fenómeno físico importante para cosmología y que sea ampliamente conocido, es sin duda es el desplazamiento al rojo. Y es muy importante porque gracias al desplazamiento al rojo, cambió por completo nuestra forma de ver y entender el Universo. 
El espectro muestra las líneas características de un elemento. Los objetos al alejarse de nosotros presentan en su espectro un desplazamiento en la longitud de onda de las líneas espectrales respecto a como se ven en un laboratorio. Este efecto es el conocido como desplazamiento al rojo o efecto Doppler (un ejemplo de la vida común es la diferencia de como suena un sonido al aproximarse a nosotros su fuente (p.e. la sirena de una ambulancia) o a la alejarse). Sin embargo, hay varios tipos.

Desplazamiento al rojo Doppler
Es el más importante en las observaciones estelares. Como se indicó antes, es similar a lo que ocurre con el sonido de la sirena de una ambulancia según pasa delante de nosotros. Comparando las posiciones de las líneas espectrales conocidas en un laboratorio con las observadas en la estrella, podemos ver:
      z = delta(L) / L(0)
donde z es el desplazamiento al rojo, delta es la función de diferencia (p.e. si v(i) es velocidad inicial, v(f) es velocidad final, delta(v)=v(f)-v(i)), L la longitud de onda de la línea espectral observada y L(0) la longitud de onda de la línea espectral en el laboratorio. 
También se establece que:
      z = v / c
donde v es la velocidad relativa del objeto y c la velocidad de la luz. Por ejemplo esta sencilla ecuación nos permitiría medir, mediante una análisis espectral, la velocidad de movimiento de las capas externas de las estrellas variables cefeidas.


Desplazamiento al rojo cosmológico
En 1926 Edwin Hubble determinó que la técnica del desplazamiento al rojo Doppler que gran número de galaxias presentaban un desplazamiento al rojo independientemente de la dirección en la que se observase. Presentando en un diagrama velocidad contra distancia (ver diagrama del post), aparece una correlación entre desplazamiento al rojo y distancia. La conclusión de semejante descubrimiento fue que el Universo se está expandiendo. El gradiente del gráfico es la llamada constante de Hubble, H(0). Originalmente el valor de H(0) fue 500 Kms/s.Mpc: estimaciones modernas calculan que el valor varía de 60 a 75 Kms/s.Mpc.
La explicación a este fenómeno es que un fotón es afectado por la expansión del espacio, alargando la longitud de onda, de modo que el fotón progresivamente presenta longitudes de onda más rojas. Hay que destacar que el desplazamiento al rojo Doppler es causado por el movimiento relativo de los cuerpos a través del espacio, mientras que el cosmológico es el resultado de la expansión cosmológica. Por tanto, la velocidad de recesión es solo una velocidad aparente. Se establece que:
      v = H(0) D      (Válida para distancias pequeñas)
      z = H(0) D / c       (Válida para distancias hasta 1000 Mpc)
donde v es la velocidad de recesión, z es el desplazamiento y D la distancia en Mpc. Estas medidas son sensibles a la incertidumbre del valor de H(0) y a las llamadas velocidades peculariares (El desplazamiento al rojo Doppler propio de un objeto debido a sus propios movimientos independientemente de la expansión del espacio) 
Desplazamiento al rojo gravitacional
Los campos gravitatorios intentos (p.e. cerca de un agujero negro) pueden producir desplazamiento al rojo, pero no suele importante a efectos de determinación de distancias. Se puede encontrar un fabuloso artículo sobre ondas gravitacionales en el blog Astrofísica y Física de Verónica Casanova.

2 comentarios

  1. Anónimo

    Hola.

    ¿Cómo se distingue entre los tres tipos? Para determinar, por ejemplo, la distancia a un objeto y separar el componente debido a su velocidad y el de la expansión cósmica.

    Un saludo
    Manuel

    1. Francisco Sevilla

      Hola Manuel,

      Básicamente se distingue en función del cuerpo que estás observando. Así por ejemplo el gravitacional se considera cuando se están observando cuerpos muy masivos como agujeros negros o estrellas de neutrones. También, dada la precisión con la conocemos los movimientos relativos al Sol, lo hemos medido en el Sol.

      Para el cosmológico, se puede aplicar en galaxias distantes, a partir de 100 megaparsecs. A distancias menores, el efecto doppler ordinario se entremezcla con el cosmológico y aquí habría que recurrir a otros medios para diferenciar el causado por el movimiento propio del cuerpo del debido a la expansión cosmológica (p.e. considerando los movimientos del propio cúmulo de galaxias al que pertenezca).

      Para cuerpos en nuestra propia galaxia, no tiene sentido hablar del cosmológico.

      No obstante, en base a la técnica de la "escalera de distancias" (distance ladder: http://www.vega00.com/2011/02/introduccion-la-cosmologia-12-la.html) se van "solapando" técnicas para determinar distancias, de modo que por ejemplo, a una galaxia distante, además de determinar su distancia por del corrimiento al rojo cosmológico, también lo hacemos en base a la observación de supernovas de tipo Ia.

      Saludos,

      Fran

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.

*