Corrimiento al rojo: Conceptos básicos
Puede que hayas notado que cuando una ambulancia se acerca a ti y luego pasa de largo, el tono de su sirena cambia. La razón de este cambio es el efecto Doppler, nombrado así en honor a su descubridor, el físico austriaco Christian Doppler. Cuando el vehículo se mueve hacia ti mientras emite un sonido, las ondas que acarrean el sonido se comprimen, produciendo que tu escuches un sonido de tono más agudo. De la misma forma, mientras algo de aleja de ti mientras emite un sonido, las ondas de sonido se estiran, causando que tu escuches un sonido de tono más grave.
El mismo efecto ocurre con las ondas de luz. Si un objeto se acerca a nosotros, las ondas de luz que recibimos parecerán más cortas, por tanto, más azules; y si el objeto se aleja de nosotros, sus ondas de luz parecerá que se separan y esto hará que el objeto se perciba más rojo. El grado de corrimiento al rojo (“redshift” en inglés) o al azul (“blueshift” en inglés) está directamente relacionado con la velocidad del objeto en la dirección en la que miramos.
La velocidad a la que suelen moverse los coches es demasiado pequeña como para que podamos notar algún corrimiento al rojo o al azul de su luz. Por otro lado, las galaxias se mueven lo suficientemente rápido respecto a la tierra para que el cambio en su luz pueda ser detectado. Pero algunas galaxias son naturalmente rojas o azules, y es difícil saber que color realmente tienen “en reposo” (si su velocidad con respecto a nosotros fuese nula). En parte por estas complicaciones los astrónomos no descubrieron que la luz de las galaxias estaba desplazada hasta que comenzaron a analizar su espectro alrededor de principios del siglo XX.
Los espectros de estrellas y galaxias casi siempre muestran una serie de picos y caídas llamadas “líneas espectrales.” Como se discutió en Pre-vuelo – Espectros,
As discussed in Preflight – Spectra, estas líneas espectrales nos informan sobre el tipo y la composición del objeto que estamos observando. Los astrónomos saben qué posiciones y espaciamientos de líneas espectrales pueden esperar cuando observan un objeto astronómico (como una galaxia) porque saben qué tipo de objeto es y cuál es su composición química probable. Sin embargo, cuando se observan galaxias, casi todas tienen líneas espectrales en una longitud de onda más larga (más roja) de lo esperado. Este efecto se llama corrimiento al rojo.
Estas imágenes representan líneas espectrales en un espectro. (Nota: las posiciones de las líneas son para demostrar la idea, no son exactas). El espectro que se emite desde una galaxia tiene líneas espectrales en posiciones conocidas, pero cuando se observa esta luz, todas estas líneas espectrales están desplazadas, en la misma cantidad relativa, hacia el extremo rojo del espectro.
Calculando corrimientos al rojo
El corrimiento al rojo, simbolizado por una z, se define como:
λ representa la longitud de onda. La longitud de onda emitida es la longitud de onda que se mediría si la galaxia estuviera cerca y estacionaria, la longitud de onda observada es la longitud de onda que se mide al observar la galaxia.
Por ejemplo, la línea de emisión del Hidrógeno H-gama, es emitida en reposo en el laboratorio (λreposo) a una longitud de onda de 4340,5 Angstroms. Si tu encuentras esta línea de emisión en el espectro de una galaxia, y mides que ha sido corrida a una longitud de onda observada (λobservado) de 4780 Angstroms, puedes simplemente calcular el corrimiento al rojo como:
Nota que si la longitud de onda observada fuese menor que la longitud de onda en reposo, el valor de z sería negativo. Eso nos indicaría que tenemos un corrimiento al azul y que la galaxia se está acercando a nosotros. Resulta que casi todas las galaxias en el cielo tienen un corrimiento al rojo en sus espectros.
Usando espectros para medir corrimientos al rojo
Un espectro mide cuánta luz emite un objeto a diferentes longitudes de onda. El espectro de una estrella se suele representar en un gráfico. Puedes consultar Pre-Vuelo – Gráficas de espectros de SDSS para más información de como interpretar un espectro.
Los espectros de estrellas y galaxias aparecen casi siempre con una serie de picos y valles que reciben el nombre de líneas espectrales. Estas líneas son buenos marcadores para los corrimiento al rojo o al azul. Cuando los astrónomos miran una galaxia y ven líneas espectrales a longitudes de onda mayores de las que tendrían en reposo (por ejemplo las medidas en un laboratorio), entonces saben que la galaxia tiene cierto corrimiento al rojo (enrojecida o “redshifted” en inglés) y que se está alejando de nosotros. Si ellos ven que las líneas aparecen a longitudes de onda menores, entonces dicen que la galaxia tiene cierto corrimiento al azul (azulada o “blueshifted” en inglés) y concluyen que se mueve hacia nosotros.
El catastro digital del cielo Sloan (“Sloan Digital Sky Survey” en inglés) ha medido el espectro de más de un millón de galaxias. Cada espectro se introduce en un programa que determina el corrimiento al rojo de forma automática. El programa entrega una imagen como la que se encuentra arriba, donde las líneas espectrales están marcadas. El número “z” en la parte de arriba del espectro muestra el valor del corrimiento al rojo. Valores positivos de z indican galaxias con corrimiento hacia el rojo, mientras que valores negativos significan corrimiento hacia el azul.