astronomía

Conceptos astronómicos

En física y astronomía, el corrimiento al rojo, acercamiento 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 deradiación electromagnética recibida 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. Esta 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),¹ la espectroscopia astronómicautiliza los corrimientos al rojo Doppler para determinar el movimiento de objetos astronómicos distantes.² Este fenómeno fue predicho por primera vez y observado en el Siglo XIX cuando los científicos empezaron a considerar las implicaciones 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.³

Un tercer tipo de corrimiento al rojo, el corrimiento al rojo gravitacional (también conocido como efecto Einstein), es un resultado de ladilatación del tiempo que ocurre cerca de objetos masivos, de acuerdo con la relatividad general.⁴

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.- .......................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=495fa1c64421127c17f8e6ba2d52d9dbbdf37f45&writer=rdf2latex&return_to=Corrimiento+al+rojo

En 1929, el astrónomo E. Hubble postuló que el universo seexpandía de modo tal que cada galaxia se aleja de nosotros a una velocidad proporcional a su distancia; cuanto más débil es el brillo de la galaxia, mayor es su velocidad de alejamiento. Este fenómeno se comprobó en todas las direcciones, sin que pueda saberse dónde estaría ubicado el centro de ese gigantesco sistema de galaxias.

Usando ese descubrimiento como herramienta de cálculo, si se consigue medir la velocidad de una galaxia alejándose, se puede deducir su distancia.

Este fenómeno puede compararse en primera aproximación a un globo que está inflándose, dentro del cual hay partículas de polvo. A medida que aumenta de tamaño, es decir, las paredes del globo se extienden, las partículas de polvo de su interior se alejan unas de las otras. Algo similar sucedería en el espacio: cada partícula de polvo en el globo equivale a una galaxia del universo. Destaquemos la dificultad que surge entonces para señalar el centro del sistema estando ubicados nosotros en una de esas partículas.

La velocidad de una galaxia se obtiene a través de su espectro; como ya hemos mencionado, en los espectros de los astros aparecen líneas relacionadas con los elementos químicos presentes. Si el astro se mueve, las líneas de sus espectros se mueven de su posición natural⁽⁴⁵⁾.

Si el astro se aleja, las líneas se desplazan hacia la zona de las longitudes de onda largas, identificadas con el color rojo; por esa razón, cuando se habla del corrimiento al rojo de las galaxias, se está indicando el alejamiento de las mismas.

Pero de forma equivalente, si el astro se acerca, las líneas se corren hacia la zona de longitudes de onda corta, es decir, hacia el azul.

Puede decirse entonces que la distancia a cada galaxia es proporcional a su corrimiento al rojo y, por lo tanto, es equivalente a su velocidad de alejamiento.

Finalmente, mencionemos que se ha determinado un incremento de la velocidad de unos 80.000 km/hora cada millón de AL de distancia, valor denominado constante de Hubble.

Desplazamiento al rojo

    Cuando obtenemos los espectros de galaxias lejanas observamos que las líneas espectrales están desplazadas con respecto a las observadas en los laboratorios terrestres
 
 

	z = 0.25, v = 75,000 km/s
	z = 0.05, v = 15,000 km/s
	z = 0.01, v = 3,000 km/s
	Estrella próxima

Definimos el desplazamiento al rojo z de una línea espectral como la diferencia entre las longitudes de onda observada (lo) y emitida (le) en unidades de la longitud de onda emitida.

1 + z = lo/le

Es habitual convertir el desplazamiento al rojo en velocidad mediante la relación

v = c z

siendo c la velocidad de la luz, que es un aproximación para velocidades mucho menores que c y que coincide con la interpretación Doppler al desplazamiento al rojo en ese caso de velocidades pequeñas.
    Así, midiendo la cantidad de desplazamiento se puede determinar que la galaxia más brillante de la figura anterior se mueve a 1% de la velocidad de la luz (3,000 km/s) puesto que las líneas del espectro están desplazadas un 1% hacia el rojo (z = 0.01) si interpretamos esta velocidad como debida a efecto Doppler.
    Pero hay un problema. Existen galaxias y quásares con desplazamientos al rojo mayores que uno (ver noticias). Si sustituimos en la relación anterior obtenemos velocidades mayores que la velocidad de la luz y nos metemos en algunos problemas. Por ello es mejor ver las velocidades obtenidas con la relación anterior como meras etiquetas de desplazamientos al rojo, que es la magnitud cuya interpretación está más clara.

Por  tanto es importante tener en cuenta que la interpretación Doppler para el desplazamiento al rojo no es válida en general y es sólo una buena aproximación cuando z es significativamente menor que la unidad.

     Muchos autores quieren solucionar este asunto apelando a la fórmula relativista para el efecto Doppler

    v = c (1- (1+z)^-2)^1/2

válida para cualquier desplazamiento al rojo. Sin embargo, esto no es correcto. El universo en expansión está descrito por la Teoría General de la Relatividad y no por la Teoría Especial de la Relatividad. Veremos cómo calcular la relación correcta más adelante.
    La interpretación más sencilla y válida para cualquier desplazamiento al rojo es que el alargamiento de la longitud de onda de la luz se debe al cambio de escala en las distancias debida a la expansión del universo. En términos más precisos debe cumplirse:

1+z = a(t₀)/a(t)

donde a(t₀) es el parámetro de expansión o factor de escala en el momento actual y a(t) en el momento en que la galaxia a desplazamiento al rojo z emitió su luz. El factor de escala puede entenderse como un número que etiqueta arbitrariamente escalas de distancias medidas en tiempos diferentes. Es habitual etiquetar a(t₀) = 1, de tal manera que en un tiempo pasado la misma escala de distancia (como por ejemplo la distancia entre dos galaxias lejanas dadas) disminuye en un factor dado por a(t). En otras palabras, si el desplazamiento al rojo medio en una galaxia lejana fuera z = 1 significaría que a(t) = 1/2 y por tanto que dicha galaxia y la nuestra se encontraban, en el momento en que fue emitida la luz, a la mitad de distancia de lo que están hoy en día.

Analogía del globo para dos instantes diferentes de la expansión del universo. Los puntos amarillos representan galaxias o cúmulos de galaxias (en general estructuras ligadas gravitatoriamente). Se puede observar la analogía de las onda de luz (en azul) estirándose debido a la expansión del universo (en rojo) como interpretación estándar del desplazamiento al rojo. La distancia entre dos galaxias aumenta en un factor a(t0)/a(t). Figura adaptada de Ned Wright's Cosmology Tutorial

Ejercicio

Determinar el desplazamiento al rojo del siguiente cuásar utilizando la línea de emisión que destaca en 3525 Å, sabiendo que se trata de la Lyman a del  espectro del hidrógeno (localizada a 1216 Å en el laboratorio). Solución.

Práctica recomendada en el Observatorio Virtual

Identificación de quasar para su observación espectroscópica y obtención de la distancia asociada a su desplazamiento al rojo.