Efecto Doppler , Desplazamiento hacía el rojo

Efecto Doppler , Desplazamiento hacía el rojo
En Alemania, Friedrich Bessel, director del observatorio Konisberg, logró calcular que la estrella 61 Cygnus se hallaba de la tierra a algo menos de 11 años luz; James Hendenson , astrónomo escocés anunció que Alpha Centauro distaba 4,3 años luz y F. G W. Struve que trabajaba en Dropat (Rusia), evaluó la distancia de Vega en 27 años luz, tal como se sabe actualmente.

Más adelante se computaron los paralajes de otras estrellas, pero pronto se vieron las limitaciones del método, cuando las estrellas se hallan a distancias superiores a los 100 años luz, el ángulo con vértice en las mismas es prácticamente nulo.

Sin embargo las distancias interestelares pueden medirse mediante otros métodos, los cuales se basan en la luminosidad de las estrellas.

A simple vista todas las estrellas parecen, casi, o totalmente blanca, pero en realidad no son así, la estrella Capella de la constelación Auriga es amarilla. Betelgeuse de Orión, es rojiza y Rigel es ligeramente azul.

El análisis espectral de cualquier objeto en el espacio nos demuestra o nos revela la velocidad a que se desplaza, su composición química y la temperatura a que sus elementos reaccionan, mediante estos indicios los astrónomos pueden deducir el brillo real de una estrella y relacionarlo con el brillo aparente para evaluar la distancia con bastante exactitud.

Para evaluar la velocidad de un objeto remoto, suele hacerse uso de un principio científico que 1842 estableció el físico austriaco Christian Doppler, y puede advertirse en el silbido de una locomotora al acercarse a nosotros. A medida que el tren se acerca el sonido se hace más fuerte y más agudo.

Cuando pasa frente a nosotros la intensidad del sonido decae bruscamente.

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De forma más detallada el Efecto Doppler, consiste en la variación de la longitud de onda de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento.

Doppler propuso este efecto en 1842 en una monografía titulada Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels ("Sobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros").

Su hipótesis fue investigada en 1845 para el caso de ondas sonoras por el científico holandés Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot, confirmando que el tono de un sonido emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja.
 
Hippolyte Fizeau descubrió independientemente el mismo fenómeno en el caso de ondas electromagnéticas en 1848. En Francia este efecto se conoce como "Efecto Doppler-Fizeau".

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En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul.

Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectrómetros.

Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, entonces sí seria apreciable de forma directa la variación de longitud de onda.

Sin embargo hay ejemplos cotidianos de efecto Doppler en los que la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la velocidad de propagación de esas ondas.

La velocidad de una ambulancia (50 km/h) puede parecer insignificante respecto a la velocidad del sonido al nivel del mar (unos 1.235 km/h), sin embargo se trata de aproximadamente un 4% de la velocidad del sonido, fracción suficientemente grande como para provocar que se aprecie claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del observador.

Desplazamiento hacía el Rojo.

En la segunda mitad del siglo XIX, los astrónomos William Huggins, en Londres y el Alemán Herman Vogel, trabajando de manera independiente utilizaron el principio de Christian Doppler.

Aplicando a las ondas luminosas, el efecto Doppler, se advierte en los colores del espectro. En el extremo rojo las ondas luminosas son más largas y en el extremo violeta más cortas. De ello se deduce que el cuerpo celeste que emite la luz se aleja de la Tierra.

Este fenómeno se conoce con el nombre de “desplazamiento o corrimiento hacía el rojo”. Por el contrario la sondas luminosas procedentes de un objeto que se acerca al observador se desplaza hacía el extremo violeta del espectro donde se tornan más fuertes y frecuentes.

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En física y astronomía, el corrimiento al rojo, corrimiento hacia el rojo o desplazamiento hacia el rojo (En inglés: Redshift), ocurre cuando la radiación electromagnética, normalmente la luz visible, que se emite o refleja desde un objeto es desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético.

De manera más general, el corrimiento al rojo es definido como un incremento en la longitud de onda de radiación electromagnética recibidas por un detector comparado con la longitud de onda emitida por la fuente.

Este incremento en la longitud de onda se corresponde con un decremento en la frecuencia de la radiación electromagnética. En cambio, el decrecimiento en la longitud de onda es llamado corrimiento al azul.

Cualquier incremento en la longitud de onda se llama "corrimiento hacia el rojo", incluso si ocurre en radiación electromagnética de longitudes de onda no visibles, como los rayos gamma, rayos X y radiación ultravioleta.

Efecto Doppler , Desplazamiento hacía el rojo8Esta denominación puede ser confusa ya que, a longitudes de onda mayores que el rojo (p.ej. infrarrojo, microondas y ondas de radio), los desplazamientos hacia el rojo se alejan de la longitud de onda del rojo.

Un corrimiento hacia el rojo puede ocurrir cuando una fuente de luz se aleja de un observador, correspondiéndose a un desplazamiento Doppler que cambia la frecuencia percibida de las ondas sonoras.

Aunque la observación de tales desplazamientos hacia el rojo, o su complementario hacia el azul, tiene numerosas aplicaciones terrestres (p.ej. Radar Doppler y pistola radar), la espectroscopia astronómica utiliza los corrimientos al rojo Doppler para determinar el movimiento de objetos astronómicos distantes.

Este fenómeno fue predicho por primera vez y observado en el Siglo XIX cuando los científicos empezaron a considerar las implicancias dinámicas de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Otro mecanismo de corrimiento hacia el rojo es la expansión métrica del espacio, que explica la famosa observación de los corrimientos al rojo espectrales de galaxias distantes, quasars y nubes gaseosas intergalácticas se incrementan proporcionalmente con su distancia al observador.

Este mecanismo es una característica clave del modelo del Big Bang de la cosmología física.

Un tercer tipo de corrimiento al rojo, el corrimiento al rojo gravitacional (también conocido como efecto Einstein), es un resultado de la dilatación del tiempo que ocurre cerca de objetos masivos, de acuerdo con la relatividad general.

Estos tres fenómenos, se pueden comprender bajo el paraguas de leyes de transformación de marcos.

Existen otros muchos mecanismos con descripciones físicas y matemáticas muy diferentes que pueden conducir a un desplazamiento en la frecuencia de radiación electromagnética y cuyas acciones pueden ocasionalmente ser conocidas como "desplazamiento al rojo", incluyendo la dispersión y efectos ópticos.

Las llamadas velocidades radiales de muchas estrellas se han medido de este modo. Por ejemplo sabemos que Sirio se acerca a nuestro sistema solar a una velocidad de 8 kilómetros por segundos y Altair a 26 kilómetros.

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En cambio Aldebarán se aleja a una velocidad de 56 kilómetros. Naturalmente puede que existan otras explicaciones de este corrimiento hacía el rojo o el violeta en estrellas y galaxias. Pero la gran mayoría de de los astrónomos modernos fundan sus conclusiones en el efecto Doppler.

En 1924 Edwin Hubbler (astrónomo por el cual se da nombre al telescopio espacial Hubbler), amplió los conocimientos relativos al corrimiento hacía el rojo, gracias a la utilización del mejor instrumental existente por entonces.

Descubrió que galaxias enteras deben estar alejándose de la tierra a velocidades asombrosas. Hubbler concluyó que el Universo se expande de forma que todos sus innumerables componentes se separan recíprocamente unos de otros.

Como las demás Galaxias se apartan progresivamente de la nuestra, la radiación luminosa que nos envían se debilita en razón directa de su alejamiento. Según Hubbler, esta es la causa de que la luz estelar apenas ilumine nuestras noches terrestres.

¿Las estrellas son rojas o es el efecto Doppler?

Una pregunta que surge cuando lees algo sobre el efecto Doppler, y mas exactamente que las cosas que se alejan tienen un "corrimiento al rojo", en cambio las que se acercan tienen un "corrimiento al azul", es:

¿Significa que las estrellas rojas se alejan y las azules se acercan?

Efecto Doppler , Desplazamiento hacía el rojo
Es tentador pensar de esa manera, pero incorrecto, y ahora veremos porque:

¿Porque las estrellas se ven de colores?

El motivo fundamental es por su temperatura. Una estrella relativamente fría como Betelgeuse se ve roja, ya que la parte mas importante de su emisión de luz esta en ese color.

Una estrella como el Sol, tiene su máximo de emisión en el amarillo. Otras mas calientes se ven azules o blancas.

Nota que las curvas negras representan la emision en los distintos colores de estrellas de 4500 a 7500 K. El máximo de la curva de 6000 K el máximo es en el amarillo y de ese color se ve la estrella, La de 4500 K, el máximo se ve en el naranja, que corresponde al color de la estrella. 
La de 7500, esta en el azul y la estrella se ve azul. 
Efecto Doppler , Desplazamiento hacía el rojo
En este punto tal vez te interese ver un articulo anterior "por que las estrellas parecen ser todas blancas".

Es probable que te sea útil también leer sobre los espectros.

¿Y el efecto Doppler?

...Pero es real que la luz de un astro se ve mas roja (en el diagrama denominada "A") o mas azul ("C") si se aleja o se acerca respectivamente. 
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Solo se ve el color real cuando no se aleja ni se acerca ("B"), como cuando una estrella se mueve de costado con respecto al observador.

Un objeto que se aleja, su color se "corre" un poco hacia el rojo (A). Si tiene con respecto a nosotros velocidad cero (B), no cambian de color, y si se acercan (C) si color cambia hacia el azul.

 Una estrella de color amarillo como el Sol, a baja velocidad (fila de arriba), no cambia de color. Si viaja a gran velocidad (fila de abajo), si se aleja (A) se ve roja, si se acerca (C), azul. Si viaja a gran velocidad "de costado", la estrella no se acera ni se aleja por lo que se ve con su color real.
¿Y entonces?

Significa que los dos efectos le dan color a los astros, pero en distinto porcentaje.

El asunto es que para el cambio de color se fácilmente visible por efecto Doppler, se requiere que la velocidad sea altísima, de varias decenas de miles de kilómetros por segundo y eso es rarisimo que suceda en estrellas.

De hecho en nuestra galaxia no se conoce ningún objeto que viaje a esa velocidad, y si lo hubiera, no pertenecería a ella, porque solo la estaría cruzando. La Vía Láctea no tiene la fuerza de gravedad necesaria para retener a un objeto a esa velocidad.

Por ello concluimos que el color de las estrellas que vemos se deben fundamentalmente a sus temperaturas.

Por otra parte, si el efecto Doppler fuera tan notable, una estrella doble cambiaría de color al seguirla durante toda su órbita, ya que a veces una se alejaría y la otra se acercaría. Esto no se observa.

¿Como se mide entonces la velocidad?

El efecto Doppler debe medirse con equipo especial (un espectrógrafo), para hacer las delicadas mediciones requeridas. O sea: el cambio de color existe pero es insignificante para nuestros ojos a bajas velocidades. Se miden los leves corrimientos de las rayas formadas por los elementos químicos que contiene el objeto analizado.

Igualmente ha habido algunos objetos raros, invisibles a simple vista, que han causado un gran dolor de cabeza en el pasado por este motivo.

Cuando se descubrió el primer Quasar (3C 273), se veía como una estrella, pero al sacarle el espectro, tenia un "color" desconocido -exactamente mostraba lineas de elementos químicos desconocidos, imposibles de identificar.

Los Quasars se sabe hoy en día que son núcleos de galaxias que emiten enormes cantidades de energía, se alejan a muy alta velocidad, y por la expansión del Universo, se deduce que su distancia es enorme.
3C 273 se aleja a nada menos que 47 mil km/seg.

Es una velocidad tan alta que su enorme corrimiento al rojo hace que gran parte de su luz ultravioleta se haya corrido al visible. En otras palabras, no eran lineas desconocidas, sino que estaban tan corridas al rojo que inicialmente no se pudieron reconocer. Lo que los astrónomos identificaban habitualmente en el visible, por el efecto Doppler estaban casi en el infrarrojo.....

Ciertamente en objetos de nuestra galaxia no se ha observado nunca esa velocidad de movimiento (salvo casos extraños como el microquasar SS 433, pero por otros motivos. Pero esto es para otra historia!!)


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