Desplazamiento al azul (efecto Doppler): definición y ejemplos astronómicos
Descubre el desplazamiento azul (efecto Doppler): definición, ejemplos astronómicos como Andrómeda y sistemas binarios, y cómo revela el movimiento de objetos en el universo.
El desplazamiento azul es un ejemplo del efecto Doppler. Es el efecto contrario al desplazamiento al rojo.
El desplazamiento azul Doppler está causado por el movimiento de una fuente hacia el observador. El término se aplica a cualquier disminución de la longitud de onda causada por el movimiento relativo, incluso fuera del espectro visible.
La longitud de onda de cualquier fotón u otra partícula reflejada o emitida se acorta en la dirección del viaje.
El desplazamiento azul Doppler se utiliza en astronomía para determinar el movimiento relativo:
- La galaxia de Andrómeda se acerca a nuestra galaxia, la Vía Láctea, dentro del Grupo Local. Cuando se observa desde la Tierra, su luz muestra un desplazamiento azul.
- Los componentes de un sistema estelar binario sufrirán un desplazamiento azul cuando se acerquen a la Tierra
- Al observar las galaxias espirales, el lado que gira hacia nosotros tendrá un ligero desplazamiento hacia el azul en relación con el lado que gira lejos de nosotros.
- Los blázares pueden emitir chorros relativistas (cercanos a la velocidad de la luz) hacia nosotros que aparecen desplazados por el azul.
- Las estrellas cercanas, como la estrella de Barnard, se mueven hacia nosotros, lo que provoca un desplazamiento azul muy pequeño.
- El desplazamiento azul Doppler de los objetos distantes (z alto) puede obtenerse a partir de un desplazamiento rojo cosmológico mucho mayor. Esto muestra el movimiento relativo en el universo en expansión.
La razón por la que los astrónomos pueden saber la distancia a la que se desplaza la luz es porque ciertos elementos químicos, como el calcio de los huesos o el oxígeno que respiran las personas, tienen una huella dactilar de luz única que no tiene ningún otro elemento químico. Pueden ver qué colores de luz provienen de una estrella y ver de qué está hecha. Una vez que lo saben, observan la diferencia entre el lugar donde se encuentra la huella digital (llamada línea espectral) y el lugar donde se supone que está. Cuando ven eso, pueden saber a qué distancia está la estrella, si se mueve hacia nosotros o se aleja de nosotros, y también a qué velocidad va, ya que cuanto más rápido va, más lejos están las líneas espectrales de donde deberían estar.
Cómo se cuantifica el desplazamiento (fórmulas sencillas)
El desplazamiento espectral se expresa con el parámetro z, definido como:
z = (λ_obs − λ_emit) / λ_emit
Si la línea observada aparece en una longitud de onda menor que la emitida (λ_obs < λ_emit), entonces z es negativo y hablamos de desplazamiento azul. Para velocidades pequeñas frente a la velocidad de la luz (v ≪ c) la relación con la velocidad radial es aproximada por:
v_rad ≈ − c · (Δλ / λ) = − c · z
El signo negativo indica que un z negativo (acortamiento de la longitud de onda) corresponde a movimiento hacia el observador.
Corrección relativista
Cuando las velocidades son una fracción significativa de la velocidad de la luz hay que usar la fórmula relativista. Para movimiento exactamente a lo largo de la línea de visión (radial):
1 + z = sqrt((1 + β) / (1 − β)), donde β = v/c.
Con β negativo (movimiento hacia nosotros) la raíz es menor que 1 y z resulta negativo (desplazamiento azul). Además, en regímenes relativistas la intensidad observada puede verse amplificada por el efecto de Doppler boosting, muy importante en chorros relativistas como los de algunos blázares.
Ejemplos numéricos y usos prácticos
- La galaxia de Andrómeda (M31) tiene una velocidad radial aproximada de orden −300 km/s respecto a la Vía Láctea, lo que produce un pequeño pero detectable desplazamiento azul en sus líneas espectrales.
- La estrella de Barnard, una de las más próximas, se acerca con una velocidad radial de orden −100 km/s (valores aproximados) y muestra un desplazamiento azul muy leve en sus líneas.
- En sistemas estelares binarios, las líneas espectrales de cada componente se desplazan alternativamente hacia el azul y hacia el rojo conforme las estrellas se mueven hacia o lejos del observador; esto permite medir masas y órbitas.
- La técnica de velocidad radial para detectar exoplanetas busca variaciones periódicas extremadamente pequeñas en el desplazamiento de las líneas de la estrella (order de m/s), lo que equivale a z de 10−8–10−9.
- En galaxias espirales se observa que un lado del disco está ligeramente desplazado hacia el azul (el que gira hacia nosotros) y el otro hacia el rojo; esas mediciones proporcionan velocidades de rotación y distribuciones de masa.
Limitaciones y contexto cosmológico
Para objetos muy lejanos el desplazamiento rojo cosmológico debido a la expansión del universo domina sobre cualquier desplazamiento Doppler local; por eso la mayoría de las galaxias lejanas aparecen desplazadas al rojo incluso si tienen movimientos peculiares hacia nosotros. Solo en objetos relativamente cercanos o en chorros relativistas dirigidos hacia la Tierra el desplazamiento azul es significativo.
Resumen
El desplazamiento azul es simplemente la manifestación del efecto Doppler cuando una fuente de luz se acerca al observador: las líneas espectrales aparecen en longitudes de onda más cortas. A partir de ese efecto, y comparando con las huellas espectrales conocidas de los elementos químicos, los astrónomos pueden deducir movimientos, velocidades radiales y propiedades físicas de estrellas, galaxias y chorros energéticos. Para velocidades pequeñas se usan relaciones lineales (v ≈ −c·z) y para velocidades altas las fórmulas relativistas descritas permiten obtener valores precisos.
Desplazamiento al rojo Doppler y al azul
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es el Doppler blueshift?
R: El desplazamiento azul Doppler es una disminución de la longitud de onda causada por el movimiento relativo, incluso fuera del espectro visible. Se produce cuando una fuente de luz se desplaza hacia un observador.
P: ¿Cómo pueden utilizar los astrónomos el desplazamiento azul Doppler para determinar el movimiento relativo?
R: Los astrónomos pueden utilizar el desplazamiento azul Doppler para determinar el movimiento relativo observando los cambios en la longitud de onda de la luz procedente de objetos distantes. Por ejemplo, si observan galaxias espirales, el lado que gira hacia nosotros tendrá un ligero desplazamiento azul comparado con el lado que gira alejándose de nosotros. También pueden medir chorros relativistas que aparecen desplazados hacia el azul y estrellas cercanas como la estrella de Barnard que se mueven hacia nosotros dando lugar a un desplazamiento hacia el azul muy pequeño.
P: ¿Cómo saben los astrónomos a qué distancia se desplaza la luz?
R: Los astrónomos saben cuánto se desplaza la luz porque ciertos elementos químicos como el calcio o el oxígeno tienen huellas dactilares de luz únicas que no tiene ningún otro elemento. Observando la diferencia entre el lugar en el que se encuentran estas líneas espectrales y el lugar en el que deberían estar, los astrónomos pueden saber a qué distancia se encuentra un objeto, si se está moviendo hacia ellos o alejándose de ellos, y también a qué velocidad se desplaza, ya que un movimiento más rápido se traduce en una mayor distancia entre las líneas espectrales y su posición esperada.
P: ¿Qué causa el corrimiento al rojo?
R: El corrimiento al rojo está causado por el movimiento de una fuente que se aleja de un observador, lo que aumenta su longitud de onda. Se produce cuando un objeto se aleja de la Tierra debido a la expansión del espacio-tiempo o a la expansión cósmica causada por la energía oscura que empuja la materia con el tiempo.
P: ¿Qué significa "z alto"?
R: Z alto se refiere a objetos con desplazamientos al rojo elevados, lo que indica que están muy alejados y que se alejan rápidamente de la Tierra debido a la expansión cósmica causada por la energía oscura que empuja la materia con el tiempo.
P: ¿En qué se diferencia el corrimiento al rojo cosmológico del corrimiento al azul Doppler?
R: El corrimiento al rojo cosmológico difiere del desplazamiento azul Doppler porque el corrimiento al rojo cosmológico se produce debido a la expansión cósmica mientras que el desplazamiento azul Doppler se produce debido al movimiento relativo entre dos objetos como, por ejemplo, un objeto que se acerca a otro o un componente de un sistema estelar binario que se mueve hacia la Tierra.
Buscar dentro de la enciclopedia