¿Qué son el corrimiento al rojo y el corrimiento al azul? Cómo aprenden los astrónomos la distancia de los objetos lejanos

Cuando los astrónomos mirar fijamente a la universo profundo o en los espectros de una estrella distante ocultando sutilmente un exoplaneta, necesitan dar cuenta de su movimiento. Eso se basa en dos fenómenos: corrimiento al rojo y corrimiento al azul.

A medida que los objetos se alejan de nosotros, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas o al extremo rojo del espectro, eso es el corrimiento al rojo. Cambio azúl es lo contrario, cuando la luz se desplaza a longitudes de onda más cortas en el lado azul del espectro cuando un objeto se acerca a nosotros. Estos brindan pistas esenciales sobre cosas como la distancia, y cuando miras una galaxia distante, te permite saber qué tan cerca estás de mirar hacia atrás en el amanecer de los tiempos. Esto es importante para telescopios como el Telescopio Espacial James Webb, al que sus partes interesadas han encargado que aprenda sobre las primeras galaxias del universo infantil.

Para aprender más sobre corrimiento al rojo y corrimiento al azul, inverso habló con salvatore vitale, profesor asistente de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Vitale realiza análisis de datos sobre ondas gravitacionales (ondas en el espacio-tiempo) trazadas por el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) después de grandes eventos como fusiones de agujeros negros. LIGO los físicos trabajan con los astrofísicos para trazar la distancia a las ondas gravitacionales que miden usando corrimiento al rojo y corrimiento al azul, confiando en múltiples caminos para comprender la fusión de algunas de las fuerzas más potentes del universo.

Esta visualización de la NASA muestra cómo algo se enrojece gradualmente a medida que se aleja de la Tierra. NASA

Comprender el desplazamiento hacia el azul y el desplazamiento hacia el rojo

Si bien el desplazamiento al rojo y al azul suena esotérico, Vitale dijo que lo experimentamos en la vida diaria con las sirenas de las ambulancias y los coches de policía. El sonido y la luz tienen ondas asociadas, por lo que la analogía funciona: “El sonido tiene que viajar una distancia diferente cuando el automóvil viene hacia ti, en lugar de alejarse de ti”, dice Vitale. inverso.

A medida que la sirena se acerca, el sonido aumenta en frecuencia y, a medida que se aleja, el sonido disminuye en frecuencia. Esto es más popularmente conocido que el efecto Doppler, que es la diferencia aparente entre la frecuencia de las ondas que experimenta un observador en relación con la fuente de las ondas. La diferencia de movimiento entre el observador y la fuente de las ondas crea este efecto.

Al ver objetos en luz visible, agregó: “El universo ha sido amable con nosotros”. Los átomos siempre tienen tasas de frecuencia características, lo que significa que podemos decir (por ejemplo) exactamente qué frecuencia debería tener el hidrógeno en las estrellas en un laboratorio. Entonces, si se observa que el hidrógeno en un sistema estelar tiene una frecuencia más baja, el sistema estelar se está alejando, y viceversa.

Redshift y la expansión del universo

Por lo general, el corrimiento al rojo se discute cuando se habla de la expansión del universo. Un evento de hace 13.800 millones de años, conocido como el Big Bang, provocó la rápida inflación y expansión del espacio-tiempo. Los astrónomos todavía ven los ecos de ese Big Bang, ya que todos los objetos en el universo se alejan unos de otros, experimentando así cierto grado de corrimiento al rojo.

Los objetos que están más alejados tienen el corrimiento al rojo más alto. Sabemos que el universo se está acelerando gracias a la medición del corrimiento al rojo de un tipo particular de explosión estelar (supernovas), llamado Ias. Los astrónomos han apodado a este tipo de supernovas como “velas estándar”, ya que tienen una luminosidad constante. Dado que conocemos el brillo inherente de estas supernovas, podemos trazar su brillo en asociación con la distancia.

La sorpresa llegó en 1998, cuando los astrónomos anunciaron que las supernovas retrocedían mucho más rápido de lo esperado. Antes de esto, los astrónomos asumieron que el universo se expandía a un ritmo constante. Esto llevó a darse cuenta de que el universo se acelera a medida que se expande, según dos estudios independientes de supernovas que involucran al Telescopio Espacial Hubble y muchos otros observatorios para asegurarse de que estaban viendo las cosas correctamente.

Por qué el universo se acelera a medida que avanza está sujeto a debate, pero la hipótesis principal es una fuerza teórica llamada “energía oscura.” Los astrónomos llamaron a la energía “oscura” porque no podemos sentirla con nuestros instrumentos telescópicos convencionales que observan las formas de onda de la luz. Pero podemos medir el efecto de la energía, ya que podemos ver que la expansión del universo se está acelerando.

Si bien no podemos precisar por qué está ocurriendo la aceleración, el descubrimiento de este fenómeno le dio a los equipos de descubrimiento un premio nobel en 2011.

Mientras el Telescopio Espacial James Webb se prepara para la primera luz, los astrónomos están especialmente emocionados de usar sus capacidades infrarrojas para mirar hacia atrás en el universo primitivo en objetos de alto corrimiento al rojo, los que habrán venido poco después de un período llamado Época de Reionización, donde las primeras galaxias dieron al universo un brillo transparente.

HD1 es una galaxia candidata que es quizás la galaxia más lejana que jamás hayamos visto, una reliquia del universo primitivo. Harikane et al.

LIGO y corrimiento al rojo

LIGO es un conjunto de telescopios del tamaño de un planeta que registra grandes eventos en el espacio-tiempo y que también se basa en mediciones de corrimiento al rojo. En octubre de 2017, los astrónomos realizaron la primera detección confirmada de ondas gravitacionales. Vieron el efecto de dos estrellas de neutrones que chocan, o los densos restos de estrellas del tamaño de una ciudad que quedan después de las explosiones de supernovas.

Si bien el aspecto de onda gravitacional del descubrimiento inicial recibe la mayor atención, lo que también es significativo para los astrónomos es que registraron este evento en ondas de luz visible, explica Vitale. Para el mismo evento, dijo, “puedes usar la luz de la fuente para obtener el corrimiento al rojo, y puedes usar las ondas gravitacionales de la fuente para obtener la distancia”. Para este evento y otras ondas gravitacionales, en otras palabras, necesitamos usar el corrimiento al rojo para entender la distancia.

¿Cómo medimos esa distancia? Se remonta a las ecuaciones de Albert Einstein de 1916, cuando su teoría de la relatividad general discutía cómo objetos masivos como estas colisiones de estrellas de neutrones podrían distorsionar la estructura del espacio-tiempo. Las supercomputadoras de la década de 1990 finalmente permitieron a los investigadores trazar con precisión estas distorsiones. Los astrónomos pudieron modelar las ecuaciones de campo que predijo Einstein.

Hoy en día, es común que los científicos de ondas gravitacionales modelen diferentes tipos de fusiones (como entre estrellas de neutrones o entre agujeros negros) a diferentes distancias. Luego, cuando estos eventos se ven en el mundo real, tienen “formas de onda” o modelos de longitudes de onda que pueden usar para hacer coincidir lo que ven con la distancia predicha. Eso es lo que sucedió con éxito en 2017.

La distancia y el corrimiento al rojo juntos permiten a los astrónomos medir la expansión del universo, que es la razón más profunda por la que ese evento de onda gravitacional fue tan significativo que los equipos recibieron un Premio Nobel por su trabajo.

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