Desplazamiento al rojo (efecto Doppler): qué es y cómo se mide
Descubre qué es el desplazamiento al rojo (efecto Doppler), cómo se mide con espectros y cómo revela la velocidad y distancia de estrellas y galaxias.
El desplazamiento al rojo es una forma que utilizan los astrónomos para saber la distancia de cualquier objeto que esté muy lejos en el Universo. El desplazamiento al rojo es un ejemplo del efecto Doppler.
La forma más fácil de experimentar el efecto Doppler es escuchar un tren en movimiento. Cuando el tren se acerca a una persona, el sonido que emite al acercarse a ella parece tener un tono más alto, ya que la frecuencia del sonido se aprieta un poco. A medida que el tren se aleja, el sonido se alarga y suena con un tono más bajo. Lo mismo ocurre con la luz cuando un objeto que emite luz se mueve muy rápido. Un objeto, como una estrella o una galaxia que está lejos y se mueve hacia nosotros, se verá más azul de lo normal. Esto se llama desplazamiento azul. Una estrella o galaxia que se aleja de nosotros se verá más roja de lo que se vería si la fuente no se moviera en nuestro marco de referencia. De ahí viene el nombre de desplazamiento al rojo, ya que los colores se desplazan hacia el extremo rojo del espectro.
La razón por la que los astrónomos pueden saber la distancia a la que se desplaza la luz es porque los elementos químicos, como el hidrógeno y el oxígeno, tienen huellas dactilares de luz únicas que no tiene ningún otro elemento. Los astrónomos utilizan la espectroscopia para analizar la luz de un objeto (galaxia o estrella). Una vez que lo saben, comprueban la diferencia entre el lugar donde se encuentran las líneasespectrales en comparación con el lugar donde se encuentran normalmente. A partir de ahí, pueden saber si se acerca o se aleja de nosotros, y también a qué velocidad va. Cuanto más rápido vaya, más lejos estarán las líneas espectrales de su posición normal en el espectro.
¿Qué es exactamente el desplazamiento al rojo?
El desplazamiento al rojo (redshift, z) mide cuánto se ha alargado la longitud de onda de la luz emitida por un objeto respecto a la longitud de onda que tendría si la fuente estuviera en reposo respecto al observador. Se define mediante la relación:
z = (λ_observada − λ_emitida) / λ_emitida
Si z > 0 hablamos de desplazamiento al rojo (las longitudes de onda se han alargado) y si z < 0 hablamos de desplazamiento azul (se han acortado). Para desplazamientos pequeños (z ≪ 1) la velocidad radial aproximada de recesión se puede estimar por v ≈ c · z, donde c es la velocidad de la luz.
Cómo se mide en la práctica
- Observación del espectro: Un telescopio recoge la luz del objeto y un espectrógrafo la separa en su espectro para identificar líneas espectrales.
- Identificación de líneas: Se comparan las posiciones de las líneas con las longitudes de onda conocidas de los elementos químicos (por ejemplo, líneas del hidrógeno). Estas líneas actúan como "huellas dactilares".
- Cálculo de z: Se mide cuánto han sido desplazadas esas líneas y se aplica la fórmula z = (λ_obs − λ_rest)/λ_rest.
- Conversión a velocidad o distancia: Para z pequeños se usa v ≈ c z; para z grandes se emplean modelos cosmológicos y la relación con el factor de escala (1 + z = 1/a) y la ley de Hubble para estimar distancias.
Tipos de desplazamiento al rojo
- Doppler (cinemático): Debida al movimiento relativo entre la fuente y el observador, análoga al ejemplo del tren.
- Cosmológico: Asociado a la expansión del espacio. La luz se estira mientras viaja por un Universo en expansión; es el tipo que domina cuando observamos galaxias lejanas y el corrimiento de Hubble.
- Gravitacional: Predicho por la relatividad general; la luz que escapa de un campo gravitatorio intenso pierde energía y aparece desplazada hacia el rojo.
Aplicaciones y ejemplos
- Medir la velocidad de recesión de galaxias y construir mapas tridimensionales del Universo.
- Determinar la edad y la evolución del Universo mediante la observación de objetos a distintos z (cuanto mayor z, más lejos en el pasado miramos).
- Identificar objetos muy lejanos como cuásares y galaxias de alto desplazamiento al rojo (z > 6) que nos informan sobre la época de reionización.
- Confirmar la ley de Hubble: v = H0 · d para galaxias relativamente cercanas, donde H0 es la constante de Hubble.
Limitaciones y precauciones
- Para z grandes la aproximación v ≈ c z deja de ser válida; hay que usar la relatividad y modelos cosmológicos para convertir z en distancia o velocidad efectiva.
- Los movimientos locales (velocidades peculiares) pueden añadir ruido a la medición de la expansión cósmica, especialmente en galaxias cercanas.
- La calidad del espectro (resolución y relación señal/ruido) determina la precisión en la medida de las líneas espectrales y, por tanto, de z.
Breve nota histórica
El desplazamiento al rojo de las galaxias observadas por Edwin Hubble a principios del siglo XX fue la evidencia clave de que el Universo se está expandiendo. Desde entonces, medir z se ha convertido en una herramienta fundamental de la cosmología moderna.
En resumen, el desplazamiento al rojo es una medida directa y poderosa del movimiento y la distancia de objetos astronómicos lejanos, obtenida comparando las líneas espectrales observadas con las correspondientes longitudes de onda en reposo y aplicando las fórmulas físicas y cosmológicas adecuadas.
Este es un ejemplo de desplazamiento al rojo. A la izquierda, un rayo de luz procedente del Sol, y a la derecha, uno procedente de una galaxia lejana. Como puedes ver, todas las líneas se desplazan hacia el extremo rojo del espectro debido al desplazamiento al rojo.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es el desplazamiento al rojo?
R: El desplazamiento al rojo es una forma que utilizan los astrónomos para saber la velocidad de cualquier objeto que se encuentre muy lejos en el Universo. Es un ejemplo del efecto Doppler, en el que la luz de un objeto que se mueve hacia nosotros se verá más azul (corrimiento hacia el azul) y la luz de un objeto que se aleja de nosotros se verá más roja (corrimiento hacia el rojo).
P: ¿Cómo podemos experimentar el efecto Doppler?
R: La forma más fácil de experimentar el efecto Doppler es escuchar un tren en movimiento. Cuando se mueve hacia una persona, el sonido que emite al acercarse a ella parece tener un tono más alto, ya que la frecuencia del sonido se aprieta un poco. A medida que el tren se aleja a gran velocidad, el sonido se estira y suena con un tono más bajo.
P: ¿Cómo miden los astrónomos el desplazamiento al rojo?
R: Los astrónomos utilizan la espectroscopia para analizar la luz de un objeto (galaxia o estrella). Una vez que lo saben, comprueban cuánta diferencia hay entre dónde están sus líneas espectrales en comparación con dónde están normalmente. A partir de esta información, pueden saber si se está moviendo hacia nosotros o alejándose de nosotros, y también a qué velocidad va. Cuanto más rápido va, más se desplazan sus líneas espectrales de su posición normal en el espectro.
P: ¿Qué causa el desplazamiento hacia el azul?
R: El desplazamiento hacia el azul se produce cuando un objeto que emite luz se mueve muy rápido hacia nosotros. Esto hace que su luz aparezca más azul de lo normal debido a la compresión de sus ondas de frecuencia a medida que se acerca a nuestro marco de referencia.
P: ¿Qué elementos utilizan los astrónomos para la espectroscopia?
R: Los astrónomos utilizan elementos químicos como el hidrógeno y el oxígeno para la espectroscopia porque estos elementos tienen huellas dactilares de luz únicas que no tiene ningún otro elemento.
P: ¿Cómo recibe su nombre el corrimiento al rojo? R: El corrimiento al rojo recibe su nombre porque cuando un objeto se aleja de nosotros en nuestro marco de referencia, su luz aparece más roja de lo habitual debido al estiramiento de sus ondas de frecuencia, desplazando así los colores hacia el extremo rojo del espectro.
P: ¿Qué ocurre si un objeto se mueve más rápido? R: Si un objeto se mueve más rápido, los astrónomos pueden saberlo observando cuánto más separadas están sus líneas espectrales en comparación con sus posiciones normales en el espectro - lo que indica una mayor distancia recorrida por esas ondas debido al aumento de la velocidad
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