Scopri l'effetto Doppler

Gli astronomi studiano la luce da oggetti distanti per capirli. La luce si muove attraverso lo spazio a 299.000 chilometri al secondo e il suo percorso può essere deviato dalla gravità, nonché assorbito e disperso dalle nuvole di materiale nell'universo. Gli astronomi usano molte proprietà della luce per studiare di tutto, dai pianeti e le loro lune agli oggetti più distanti nel cosmo.

Uno strumento che usano è l'effetto Doppler. Questo è uno spostamento della frequenza o della lunghezza d'onda della radiazione emessa da un oggetto mentre si muove attraverso lo spazio. Prende il nome dal fisico austriaco Christian Doppler che lo propose per la prima volta nel 1842.

Come funziona l'effetto Doppler? Se la fonte di radiazione, dire a stella, si sta muovendo verso un astronomo sulla Terra (ad esempio), quindi la lunghezza d'onda della sua radiazione apparirà più corta (frequenza più alta, e quindi energia più alta). D'altra parte, se l'oggetto si sta allontanando dall'osservatore, la lunghezza d'onda apparirà più lunga (frequenza più bassa e energia più bassa). Probabilmente hai sperimentato una versione dell'effetto quando hai sentito un fischio del treno o una sirena della polizia mentre ti passava accanto, cambiando tono quando passa da te e si allontana.

L'effetto Doppler è alla base di tecnologie come il radar della polizia, in cui la "pistola radar" emette luce di una lunghezza d'onda nota. Quindi, quella "luce" radar rimbalza su un'auto in movimento e ritorna allo strumento. Lo spostamento risultante nella lunghezza d'onda viene utilizzato per calcolare la velocità del veicolo. (Nota: in realtà si tratta di un doppio turno poiché l'auto in movimento agisce dapprima come osservatore e sperimenta un turno, quindi come una fonte mobile che rimanda la luce all'ufficio, spostando in tal modo la lunghezza d'onda di un secondo tempo.)

Quando un oggetto si sta allontanando (cioè allontanandosi) da un osservatore, i picchi della radiazione emessa saranno distanziati più lontano di quanto sarebbero se l'oggetto sorgente fosse stazionario. Il risultato è che la lunghezza d'onda della luce risultante appare più lunga. Gli astronomi affermano che è "spostato all'estremità rossa" dello spettro.

Lo stesso effetto si applica a tutte le bande dello spettro elettromagnetico, come ad esempio Radio, raggi X o raggi gamma. Tuttavia, le misure ottiche sono le più comuni e sono la fonte del termine "redshift". Più rapidamente la fonte si allontana dall'osservatore, maggiore è la redshift. Dal punto di vista energetico, lunghezze d'onda più lunghe corrispondono a radiazioni di energia inferiori.

Al contrario, quando una fonte di radiazione si avvicina a un osservatore, le lunghezze d'onda della luce appaiono più vicine tra loro, accorciando efficacemente la lunghezza d'onda della luce. (Ancora una volta, una lunghezza d'onda più corta significa frequenza più alta e quindi energia più elevata.) Spettroscopicamente, le linee di emissione sembrerebbero spostate verso il lato blu dello spettro ottico, da cui il nome blueshift.

Come nel caso del redshift, l'effetto è applicabile ad altre bande dello spettro elettromagnetico, ma l'effetto è maggiore spesso discusso quando si tratta di luce ottica, sebbene in alcuni campi dell'astronomia questo non sia certo Astuccio.

L'uso del Doppler Shift ha portato ad alcune importanti scoperte in astronomia. All'inizio del 1900, si credeva che il universo era statico. In realtà, questo ha portato Albert Einstein aggiungere la costante cosmologica alla sua famosa equazione di campo per "annullare" l'espansione (o la contrazione) prevista dal suo calcolo. In particolare, una volta si credeva che il "bordo" del via Lattea rappresentava il confine dell'universo statico.

Poi, Edwin Hubble scoprì che lo erano le cosiddette "nebulose a spirale" che avevano afflitto l'astronomia per decenni non nebulose a tutti. Erano in realtà altre galassie. Fu una scoperta incredibile e disse agli astronomi che il universo è molto più grande di quanto sapessero.

Hubble ha quindi proceduto alla misurazione dello spostamento Doppler, trovando in particolare lo spostamento verso il rosso di queste galassie. Scoprì che più lontana è una galassia, più rapidamente si allontana. Ciò ha portato all'ormai famoso Legge di Hubble, che dice che la distanza di un oggetto è proporzionale alla sua velocità di recessione.

Questa rivelazione ha portato Einstein a scriverlo il suo l'aggiunta della costante cosmologica all'equazione di campo fu il più grande errore della sua carriera. È interessante notare, tuttavia, che alcuni ricercatori stanno posizionando la costante indietro in relatività generale.

A quanto pare, la legge di Hubble è vera fino a un certo punto, poiché la ricerca degli ultimi due decenni lo ha scoperto galassie distanti si stanno allontanando più rapidamente del previsto. Ciò implica che l'espansione dell'universo sta accelerando. La ragione di ciò è un mistero e gli scienziati hanno soprannominato la forza trainante di questa accelerazione energia oscura. Lo spiegano nell'equazione di campo di Einstein come una costante cosmologica (sebbene abbia una forma diversa dalla formulazione di Einstein).

Oltre a misurare l'espansione dell'universo, l'effetto Doppler può essere usato per modellare il movimento delle cose molto più vicino a casa; vale a dire la dinamica del Galassia della Via Lattea.

Misurando la distanza dalle stelle e il loro spostamento verso il rosso o blueshift, gli astronomi sono in grado di mappare il movimento della nostra galassia e ottenere un'immagine di come potrebbe apparire la nostra galassia a un osservatore dall'altra parte del universo.

L'effetto Doppler consente inoltre agli scienziati di misurare anche le pulsazioni di stelle variabili i movimenti di particelle che viaggiano a velocità incredibili all'interno di flussi di jet relativistici che emanano a partire dal buchi neri supermassicci.

Modificato e aggiornato da Carolyn Collins Petersen.