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. 

Scavando nell'effetto Doppler

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 sorgente di radiazione, per esempio una stella, si sta muovendo verso un astronomo sulla Terra (per esempio), allora 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 mentre passa vicino a 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'automobile in movimento agisce dapprima come osservatore e sperimenta uno spostamento, quindi come fonte mobile che rimanda la luce all'ufficio, spostando così la lunghezza d'onda una seconda volta.)

redshift

Quando un oggetto si sta allontanando (cioè allontanandosi) da un osservatore, i picchi della radiazione emessa saranno distanziati più di quanto non 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 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 il redshift. Dal punto di vista energetico, lunghezze d'onda più lunghe corrispondono a radiazioni di energia inferiori.

blueshift

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 per il redshift, l'effetto è applicabile ad altre bande dello spettro elettromagnetico, ma l'effetto viene spesso discusso quando si tratta di luce ottica, sebbene in alcuni campi dell'astronomia questo non sia certamente il caso.

Espansione dell'Universo e il Doppler Shift

L'uso del Doppler Shift ha portato ad alcune importanti scoperte in astronomia. All'inizio del 1900, si credeva che l'universo fosse statico. In effetti, ciò portò Albert Einstein ad 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" della Via Lattea rappresentasse il confine dell'universo statico.

Quindi, Edwin Hubble scoprì che le cosiddette "nebulose a spirale" che avevano afflitto l'astronomia per decenni erano non nebulose a tutti. Erano in realtà altre galassie. È stata una scoperta incredibile e ha detto agli astronomi che l'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 famosa Legge di Hubble, secondo la quale 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 nella relatività generale.

A quanto pare, la Legge di Hubble è vera fino a un certo punto, poiché la ricerca degli ultimi due decenni ha scoperto che le 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 del campo di Einstein come una costante cosmologica (sebbene abbia una forma diversa dalla formulazione di Einstein).

Altri usi in astronomia

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 della Via Lattea.