Corrimiento al rojo : El color de la luz depende del observador

Corrimiento al rojo
Corrimiento al rojo

Hoy les hablaré de una palabra muy usada por nosotros los astrónomos: Corrimiento al rojo o redshift.

Corrimiento al rojo

Los astrónomos somos científicos de la luz, analizamos como la luz se absorbe, se emite y se dispersa en su camino a la Tierra. Y dentro de las muchas cosas que analizamos está el cambio de color y energía de la luz al llegar a la Tierra. Por ejemplo, una partícula de luz, un fotón, pudo haber tenido un color amarillo al escapar de una estrella y ser de color rojo al llegar a nuestro telescopio.

El término que usamos para describir este cambio de color es corrimiento al rojo. Aunque más probable que escuches el término en inglés, redshift y usamos la letra z como símbolo para describir el redshift.

Cuando los fotones pierden energía se tornan más rojos. Aunque pueden ir mucho más allá y volverse fotones de infrarrojo o de microondas. Es en este caso cuando decimos que ha ocurrido corrimiento al rojo y que los fotones tienen corrimiento al rojo positivo. En el caso contrario, cuando los fotones ganan energía, se mueven hacia colores más azules y tienen un corrimiento al rojo negativo. También pueden volverse ondas ultravioleta o rayos gamma.

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¿Por qué cambian los colores de una partícula de luz?

Hay tres formas en la que un fotón puede cambiar de energía:

  • Efecto Doppler
  • Expansión del Universo
  • Gravedad / Curvatura del espacio tiempo

Efecto Doppler

efecto doppler
Efecto Doppler

El Efecto Doppler es el cambio de frecuencia y energía de la luz debido al movimiento relativo entre la fuente luminosa y el observador. Si la fuente luminosa se aleja de nosotros, los fotones se observan con menor frecuencia, con menos energía y con colores más rojos. Mientras que, si la fuente se acerca los fotones son observados con mayor energía.

En toda observación el Efecto Doppler es importante, ya que la Tierra está en constante movimiento, lo que significa que relativo a la Tierra todas las fuentes luminosas se están moviendo.

Se deben considerar que movimientos son importantes al realizar una observación. Por ejemplo, si observamos una estrella en la Vía Láctea hay que corregir el movimiento de la Tierra alrededor del Sol, y el movimiento de todo el Sistema Solar en la Vía Láctea. Y si quisieramos observar una galaxia lejana, hay que estimar el efecto del movimiento de la Vía Láctea en el Universo.

Algunos de los astrónomos que buscan exoplaneta utilizan el Efecto Doppler para encontrarlos, ya que la gravedad de los planetas mueve un poco a sus estrellas.

Expansión del Universo: Corrimiento al rojo cosmológico

La energía que posee un fotón tiene una conexión con el espacio-tiempo. El ejemplo más notorio de esta conexión es el cambio de energía que tienen producto de la expansión del Universo.

corrimiento al rojo cosmológico
Corrimiento al rojo cosmológico: La expansión del Universo «estira» a los fotones y reduce su energía

Una forma de imaginarlo es recordar que la luz también se comporta como una onda y que posee una longitud. A medida que la luz viaja por el Universo, su longitud de onda se estira o contrae de la misma forma que el espacio.

Supongamos que un fotón se emitió cuando el Universo tenía la mitad de su tamaño actual. Al llegar a la Tierra, el espacio se ha duplicado y así también la longitud de onda se duplica. Esto además significa que la energía del fotón se ha reducido a la mitad y que se ha corrido hacia colores más rojos.

A este efecto se le conoce como corrimiento al rojo cosmológico. Si bien las galaxias se alejan de nosotros producto de la expansión, no se están moviendo respecto al espacio. Así que este tipo de redshift es muy diferente al producido por el Efecto Doppler. Por ejemplo, si una fuente se mueve a la velocidad de luz su redshift por Efecto Doppler es infinito, pero si se aleja a la velocidad de la luz producto de la expansión del Universo lo que importa es cuanto se expandió y eso es un numero finito.

La luz de las galaxias más lejanas se demora más en llegar así que su longitud de onda y por ende su redshift aumentan mucho más. Por esa razón los astrónomos suelen hablar de galaxias a alto-redshift refiriéndose a galaxias muy lejanas en espacio y en tiempo.

Corrimiento al rojo gravitacional

Corrimiento al rojo gravitacional: Los fotones se vuelven menos energéticos a medida que escapan de las cercanías de un agujero negro.

La tercera fuente que cambia la energía de los fotones, y que está muy relacionada con la anterior, es la gravedad o curvatura del espacio-tiempo.

La teoría que explica cómo se curva el espacio-tiempo es la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Según Einstein, no es posible diferenciar una región con gravedad uniforme de un lugar con aceleración uniforme. A partir de este punto que podemos entender el redshift gravitacional.

Si observamos un fotón que escapa de una región con una gravedad intensa, el efecto debe ser similar a ser emitido desde una fuente que está acelerando o desacelerando, es decir que cambia su velocidad. Así que debería ocurrir algo equivalente al Efecto Doppler, es decir un cambio de energía en el fotón. A este efecto le llamamos Corrimiento al rojo gravitacional.

El cambio de energía en la luz producto de la gravedad es muy pequeño. Por ejemplo, la luz que escapa de la superficie del Sol llega a la Tierra con un 99.999787622% de la energía que tenía al ser emitido. Para poder notar esos cambios hay que observar fuentes con una masa y energía muy concentrada y que curven mucho el espacio, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones.

Cuando la luz escapa de la intensa gravedad de un agujero negro, los colores se corren mucho hacia el rojo y tiene mucha menos energía. También ocurre al revés. Si estuviesemos quietos cerca del horizonte de un agujero negro, recibiríamos una lluvia de rayos gamma lo cual no suena para nada bien.

Sobre

Soy un astrónomo actualmente en el doctorado en Chile que divulga conocimientos de astronomía a través de ilustraciones