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Redshift - Paola Marziani

El efecto Doppler o “corrimiento hacia el rojo” (redshift) de una onda electromagnética, ¿es posible saber si se debe a la velocidad del objeto o a la acción de un campo gravitatorio? ¿Y qué es el redshift cosmológico?

(Por Paola Marziani)

Capítulo 39 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

El efecto Doppler es un fenómeno físico muy básico que ocurre cuando un objeto que emite ondas, como por ejemplo la luz (ondas electromagnéticas) o el sonido (ondas acústicas), está en movimiento con respecto a un receptor (observador u oyente en el caso de la luz o sonido). Cuando las fuentes de emisión se están alejando del observador, las ondas sucesivas se emiten desde una posición más lejana al observador. Por lo tanto, el observador recibe cada onda después de un tiempo más largo respecto al que recibiría en el caso en que la fuente estuviera en reposo; por este motivo, la distancia temporal entre las crestas de la onda se incrementa y la frecuencia se reduce. Lo contrario sucede cuando la fuente de ondas se aproxima al observador. Por consiguiente, el efecto Doppler puede dar lugar a un cambio de longitud de onda que puede ser positivo si la fuente se está alejando, pero también negativo si se está acercando.

El efecto Doppler clásico relaciona la velocidad de la fuente con la velocidad de propagación de la señal, es decir, v / c, donde c es la velocidad de la luz o la velocidad del sonido en el medio en el que la señal se propaga (que podría ser por ejemplo el vacío o aire para la luz y el aire o el agua para el sonido). El corrimiento de longitud de onda es simplemente proporcional a la relación Δλ/ λ₀ = (λ-λ₀)/λ₀ = v / c, donde λ₀ es la longitud de onda de la luz emitida por una fuente en reposo y puede tomar un signo negativo o positivo si la fuente se acerca o se aleja.

Una fuente que se aleja dará siempre un aumento de la longitud de onda. Con referencia a la longitud de onda de la luz visible, se dice a menudo un corrimiento al rojo, es decir, un desplazamiento hacia el rojo. Este término, en astronomía se utiliza para cada frecuencia, incluso el dominio de rayos X y de radio para indicar un aumento de la longitud de onda.

La fórmula anterior es una de las más importantes en todo el campo de la física. Las cosas empiezan a ser menos sencillas si tenemos en cuenta a una fuente que se está moviendo a una fracción no despreciable de la velocidad de la luz. En este caso habrá un término adicional que siempre va a dar un corrimiento al rojo, independiente de la dirección del movimiento. Este término es un efecto puro de la relatividad especial, en relación con la incapacidad de sincronizar nuestros relojes con el de la fuente de movimiento y puede ser arbitrariamente grande cuando la velocidad de la fuente se acerque a la velocidad de la luz.

El corrimiento al rojo gravitacional tiene un origen independiente al efecto Doppler. No solo que siempre se corre al rojo, sino también necesita un campo gravitacional muy fuerte para ser detectado en fuentes astrofísicas.

Es interesante tener en cuenta que, tan pronto como se descubrieron a los quásares, algunos astrónomos pensaban que el corrimiento al rojo no podía ser debido a “la velocidad de recesión de las galaxias” (es decir, a la distancia en una formulación obsoleta y incorrecta), sino que tenía que ser de origen gravitacional. Esta idea fue rápidamente abandonada debido a paradojas que plantean la necesidad de estar muy cerca de una masa por obtener el gran corrimiento al rojo de los quásares.

El pequeño tamaño de la fuente ponía un límite muy fuerte a la cantidad de radiación que podría producirse. Y de hecho es necesario estar muy cerca por tener un corrimiento al rojo no despreciable debido a que el desplazamiento al rojo gravitacional es proporcional al cociente entre la masa y la distancia de un objeto (no es que la masa tiene que ser grande, sino es un asunto del cociente masa-distancia).

El corrimiento al rojo gravitacional puede aumentar indefinidamente en una fuente que se acerca de un objeto masivo. En un contexto astrofísico, los casos más extremos son los agujeros negros y las estrellas de neutrones. En el caso de un agujero negro, una fuente vista por un observador distante nunca alcanzará el horizonte de eventos del agujero negro, pero el observador verá la luz emitida desplazada a una longitud de onda más larga.

Si originalmente la fuente estaba emitiendo luz visible, y si fuera posible seguir la luz desde la fuente hacia su caída al agujero negro en todas las frecuencias, el receptor detectará las ondas en el óptico y luego en el IR cercano, a continuación, en el IR lejano, en el sub-mm, y luego a más y mayores longitudes de onda en el dominio del radio. La luz emitida en las proximidades de un agujero negro aparecerá desplazada hacia el rojo debido a la pérdida de energía para superar el profundo potencial gravitacional del agujero negro.

El campo gravitacional puede crear un corrimiento al rojo arbitrariamente grande. ¿Qué pasa con el corrimiento al rojo de las fuentes astronómicas a gran distancia, como las galaxias y quásares? Como se ha mencionado, muchos años atrás la gente hablaba de velocidad de recesión de las galaxias. Edwin Hubble en el 1925 encontró una relación directa entre el corrimiento al rojo y la distancia de las mismas galaxias, es decir v = c z = H0 d, donde H0 es la constante de Hubble estimada alrededor de 70 km / s / Mpc.

Actualmente, esta ley sigue siendo válida y es utilizada   por   los astrónomos si z << 1. Sin embargo, hoy en día existen cientos de miles de galaxias y quásares conocidos con z >> 1, incluso hasta z = 7. Puesto que somos capaces de medir la velocidad solo a lo largo de nuestra línea de visión (la velocidad radial) para los objetos distantes, el corrimiento al rojo no se puede asociar a una velocidad física a menos que se cumplan condiciones poco realistas y muy especiales.

El corrimiento al rojo de galaxias y quásares se explica en el contexto de un Universo en expansión, al que se llama propiamente expansión cosmológica del Universo, donde el tejido del espacio se está expandiendo después de un estado denso y caliente que en su origen fue una singularidad (no se trata de una expansión en un volumen previamente existente, es el mismo espacio-tiempo que se expande).

El desplazamiento hacia el rojo vuelve a ser no solo un marcador de la distancia, sino también un indicador de la época cósmica. Y hay una diferencia física fundamental con un desplazamiento al rojo debido al efecto Doppler: las fuentes no se mueven una con respecto a la otra, sino están retrocediendo solo porque el espacio-tiempo se está expandiendo. Nuestras reglas son más grandes en espesor y los relojes están corriendo más lentamente con respecto a los de las fuentes distantes. A una distancia definida por un corrimiento al rojo z, los relojes estarían corriendo más rápido por un factor (1 + z).

Se agradece la ayuda de las doctoras Alenka Negrete y Alba Grieco por una revisión precisa de este capítulo.

Paola Marziani

Doctora en Astrofísica

Investigadora / INAF - Osservatorio Astronomico di Padova

Nació en Bolzano/Bozen, en Alto Adige/Südtirol. Obtuvo su laurea en Astronomía en 1986 y su Ph. D. en astrofísica en 1991.

Después de estancias de investigación en los Estados Unidos, México e Italia, se quedó en 1995 en el Instituto Nacional de Astrofísica en Padova. Su intereses astronómicos principales son los cuasares y las galaxias, la cosmología observacional, y los procesos atómicos que dan origen a lineas de emisión.

Desde 1988 ha publicado más de doscientas contribuciones de astrofisica (los mayoría de astrofisica extragaláctica), y artículos de divulgación astronómica en Inglés, Italiano y Español.

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¿Por qué la luz se mueve a la velocidad de la luz? - Alberto Aparici

¿Por qué la luz se mueve a la velocidad de la luz?

(Por Alberto Aparici)

Capítulo 38 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

Seguro que os parece que ésta es una pregunta un poco tonta.

Y si Albert Einstein no hubiera descubierto la teoría de la relatividad como lo hizo, probablemente lo sería. Pero pensad lo siguiente: la relatividad cambió lo que pensábamos sobre el espacio y el tiempo. Nos descubrió que los relojes pueden marcar el tiempo a diferentes velocidades, y que las imágenes que vemos de objetos lejanos pueden aparecer deformadas debido a su movimiento o al campo gravitatorio. En los capítulos anteriores, sobre la teoría de la relatividad, se ha dado buena cuenta de muchos de estos efectos, y sabemos que la velocidad de la luz juega un papel importante en todos ellos: a velocidades bajas, como las de nuestra vida cotidiana, estos efectos son imperceptibles, pero se van haciendo más y más patentes cuando el movimiento es muy rápido, cercano a la velocidad de la luz. La pregunta es ¿por qué la luz? ¿Qué tiene la luz de tan especial para que tantos fenómenos físicos giren a su alrededor?

Para entenderlo, primero deberíamos recordar algo: a la luz le da igual lo rápido que nos movamos, ella siempre se mueve igual. Por extraño que parezca, éste es un hecho experimental muy bien establecido: la velocidad de la luz en el vacío es siempre 299.792,458 km/s. Si tuviéramos una nave espacial que pudiera moverse a 200.000 km/s y tratásemos de “perseguir” a un rayo de luz, veríamos que la luz huye de nosotros a 299.792,458 km/s. Si aceleráramos con nuestra nave espacial hasta 299.000 km/s el rayo de luz seguiría alejándose de nosotros a 299.792,458 km/s. Por desgracia no tenemos la tecnología para hacer estos experimentos con humanos en naves espaciales, pero sí podemos comprobarlo utilizando partículas subatómicas, que se mueven a velocidades altísimas, y mediante algunos dispositivos experimentales verdaderamente ingeniosos.

La física, desde luego, no se queda de brazos cruzados mientras la luz hace todas estas cosas extraordinarias: para que todos los observadores vean moverse a la luz a la misma velocidad las propias leyes del movimiento deben cambiar. Cosas aparentemente sencillas, como que si vamos en un coche a 50 km/h y el coche de delante va a 60 km/h nosotros lo veremos alejarse a 10 km/h, sabemos que no son estrictamente verdad. Son casi verdad cuando las velocidades son pequeñas, como 50 km/h o 10 km/h, pero dejan de ser verdad cuando nos acercamos al leviatán de las velocidades: la velocidad de la luz. Pero de nuevo ¿por qué la naturaleza ha escogido a la luz? ¿Por qué no a los electrones o a las ballenas o a cualquier otra cosa?

Un famoso experimento mental de Einstein nos da una pista para responder a esta pregunta. Einstein se preguntó qué sucedería si pudiésemos movernos a la misma velocidad que un rayo de luz, si pudiéramos ver a la luz en reposo, congelada delante de nosotros. A lo largo del siglo XIX se había descubierto que la luz es una onda electromagnética, un pulso de energía transportado por campos eléctricos y magnéticos en movimiento. Normalmente la electricidad y el magnetismo van ligados a cargas eléctricas: allá donde hay un electrón éste genera un débil campo eléctrico, y si el electrón se pone en movimiento tendremos, además, un campo magnético. Pero también hay otra manera de producir estos campos: si un campo eléctrico cambia con el tiempo parte de su energía se va a emplear en generar un campo magnético; y lo contrario también es verdad: un campo magnético variable generará inmediatamente un campo eléctrico. Este fenómeno, por el cual la electricidad genera magnetismo y el magnetismo genera electricidad, se llama inducción electromagnética.

Una onda electromagnética consiste en un campo eléctrico variable que genera por inducción un campo magnético un poco por delante de él. Este campo magnético también es variable, y genera a su vez un campo eléctrico un poco por delante. De esta forma, el campo eléctrico y el magnético se van “turnando” y se mueven por el espacio como si tiraran el uno del otro, empujándose para dar el siguiente paso. Normalmente las ondas electromagnéticas tienen su origen en un conjunto de cargas que se mueven de la forma adecuada –por ejemplo, los electrones que se mueven dentro de una antena–, pero una vez son liberadas al espacio se propagan de manera autónoma y ya no necesitan a las cargas porque es la inducción la que las sostiene. No es la luz el único fenómeno que se podía explicar mediante ondas electromagnéticas: las ondas de radio, los infrarrojos, y después también los rayos ultravioleta o los rayos X, son diferentes tipos de ondas electromagnéticas que se diferencian en que unas transportan más energía que otras.

Einstein, pues, se planteó qué sucedería si pudiésemos perseguir a una de estas ondas, alcanzarla y verla congelada delante de nuestros ojos. La conclusión fue bastante desagradable: la onda debería desaparecer, volatilizarse en el momento en que la alcanzáramos. Como el fundamento de la inducción es que los campos que forman la onda estén cambiando continuamente, si logramos “pararlos” la inducción también se para y la onda, sencillamente, deja de existir. En física siempre es mala noticia que las cosas se esfumen, y en este caso la noticia no tenía ni pies ni cabeza: si Einstein estaba en lo cierto, un observador parado podría ver una onda electromagnética viajando, por ejemplo, de una antena a otra entre dos edificios, y transportando información entre ambos lugares. Sin embargo, el observador que persigue a la onda y logra que desaparezca no vería nada viajando de un edificio a otro: la información le llegaría al receptor sin nada que la transporte, como si fuera magia. Einstein concluyó que el segundo observador no podía existir. La física, fuera como fuese, tenía que ingeniárselas para que nadie pudiese alcanzar a un rayo de luz o a una onda de radio, o de lo contrario éstas podrían aparecer y desaparecer como un fantasma, y con ellas la energía que transportan.

Esta idea fue la que llevó a Einstein a proponer que tal vez la velocidad de la luz no se viera afectada por el movimiento del observador. Era una buena manera de hacer a la luz “inalcanzable”, porque por muy rápido que nos moviéramos el rayo de luz siempre se estaba alejando de nosotros. En el fondo, el motivo no era que la luz fuese muy especial, sino que la luz, por su propia naturaleza, tiene que estar en movimiento o de lo contrario desaparecería. Lo que Einstein descubrió cuando dijo que la velocidad de la luz es constante es que hay una especie de “velocidad de las cosas que son solo movimiento”, y que esa velocidad tenía que ser la misma para todos los observadores en todos los lugares del universo.

Hay otra forma de ver este mismo fenómeno. Es archifamosa la fórmula de la relatividad especial E=mc², que expresa que la masa es una forma de energía y que la energía se puede transformar en masa. Es menos conocido que ésta es una fórmula para objetos en reposo, y su forma completa es E=γmc², donde γ es el factor de Lorentz, una cantidad que depende de la velocidad del objeto. El factor de Lorentz vale 1 cuando la velocidad es cero, y se hace más y más grande, hasta infinito, a medida que la velocidad aumenta. De esta manera la fórmula nos informa de que un objeto va acumulando más y más energía a medida que su velocidad aumenta, pero que incluso cuando su velocidad es cero posee algo de energía: la que está almacenada en su masa.

Esta fórmula es válida para casi todos los objetos de nuestro universo. La luz, y las ondas electromagnéticas en general, es uno de los que no cumplen esta relación. La razón es sencilla: la luz no almacena ninguna energía a velocidad cero. Como Einstein intuyó, si un rayo de luz se para su energía se volatiliza. Los físicos solemos expresar esto diciendo que la masa de la luz es cero, m_luzc² = E_luz(v=0) = 0, o lo que es lo mismo: que la luz almacena toda su energía en forma de movimiento.

No es la única que lo hace. Como hemos dicho antes, todas las ondas electromagnéticas comparten esa propiedad: ondas de radio, infrarrojos, rayos ultravioleta, rayos X, rayos gamma… También se comportan así las ondas gravitacionales, las ondulaciones en el espacio-tiempo que transportan la gravedad de un lugar a otro. Y se ha propuesto la existencia de otras partículas que deberían tener masa cero y moverse a la velocidad de la luz, aunque ninguna de ellas ha sido descubierta, al menos por ahora.

En definitiva, ahora podemos dar respuesta a nuestra pregunta: el universo no tiene ninguna predilección especial por la luz, pero las leyes de la física reconocen la existencia de una serie de objetos que, por una razón o por otra, solo pueden existir si están en movimiento. Para esos objetos la física reserva una velocidad especial, c=299.792,458 km/s, que es la misma en todo el universo y para todos los observadores y que, además, no puede ser alcanzada por ningún observador, de forma que estos objetos especiales aparezcan en movimiento a los ojos de todo el mundo. Nosotros llamamos a esa c “velocidad de la luz” únicamente porque la luz fue el primero de esos objetos que pudimos observar, y el que mejor conocíamos en el momento en que la física estuvo madura para abordar esta cuestión. Pero igualmente podríamos decir que c es “la velocidad del movimiento absoluto”, y que la relatividad, irónicamente, no deja de ser una teoría sobre qué le pasa a la física cuando entra en escena un movimiento que no es relativo, sino absoluto.

Alberto Aparici

Doctor en Física

Instituto de Física Corpuscular, Universidad de Valencia, Onda Cero

https://www.ondacero.es/programas/la-brujula/equipo/alberto-aparici/