Acerca de conceptos del Universo #3: Red shift

Lo que motivó esta serie de posts son varias preguntas que la gente se hace respecto a cuestiones cosmológicas, o en otras palabras al universo. En las anteriores entradas hemos hablado de espacio-tiempo y del centro del Universo, llegando a la conclusión en el último post que no existe centro ni borde en el universo. Ahora vamos a hablar del corrimiento al rojo, o como nosotros le llamamos Red Shift y veremos porqué esto es tan importante a lo largo de esta entrada.

Corrimiento al rojo o al azul en función del movimiento relativo entre el objeto emisor y el observador. Fuente: wikipedia

En la década de 1920, Edwin Hubble observó que cuanto más distante está una galaxia de la nuestra, las líneas espectrales de la galaxia se desplazada hacia el rojo. ¿Que significa eso? Ok, supongamos que determinada línea espectral está a una longitud de onda (λ) de 600 nm, debido al corrimiento al rojo vamos a medir a 620nm. Dentro de una galaxia en particular, cada línea se desplazó por la misma cantidad fraccionaria:

  z\equiv \frac{\Delta \lambda}{\lambda}

siendo z el “corrimiento al rojo“, \lambda es la longitud de onda que la luz debe tener en condiciones de laboratorio, y \Delta \lambda es el cambio fraccionario. Hubble descubrió que para galaxias relativamente cercanas, el corrimiento al rojo y la distancia son linealmente proporcionales entre sí. Más allá, la relación se hace un poco más complicada matemáticamente, en parte porque hay muchos tipos posibles de distancia (ya dedicaremos un post a este tema).

En condiciones normales, solemos pensar en corrimiento al rojo como causado por el movimiento relativo del cuerpo que emite el fotón y el cuerpo absorbiéndolo: esto es corrimiento Doppler. Esto, dicho sea de paso, es como  trabaja el radar, con las trampas de velocidad o utilizando ondas de sonido. Un ejemplo de este efecto es el siguiente: ¿por qué se oye un cambio de tono cuando un camión de bomberos se acerca y  luegose aleja? Una de las ideas más comunes, y que incluso aparece en algunas clases de introducción a la física, es que la luz de las galaxias distantes se debe a un corrimiento Doppler. Pues no es así.

Lo que realmente pasa es que a medida que un fotón viaja desde las fuentes hasta nuestros telescopios en la tierra, se dilata, recordemos que el universo se expande. Supongamos que el universo duplique su tamaño, pues también lo hace la \lambda de los fotones. Acá es útil la analogía del globo para entender esto.

Analogía de la expansión con globos

Lo que trato de decir es que el corrimiento al rojo (redshift) no nos dice la “rapidez” con que una galaxia se aleja de nosotros, sino que nos esta diciendo,cuán grande es el universo actual en comparación con lo grande que era cuando la luz fue emitida. Esto tiene una serie de implicaciones:

1º Fotones pierden energía mientras viajan distancias cosmológicas. Esto es fácil de entender, longitudes de ondas largas implican energía baja. Tengamos en cuenta la luz que viene a nosotros desde el fondo de microondas cósmico. Estas λ tiene su origen (alrededor de 380.000 años después del Big Bang) a una temperatura de alrededor de 3000K, temperatura comparable a la superficie de una estrella relativamente fría. Después de la posterior expansión del universo en un factor de 1200 más o menos, la temperatura bajo a sólo de 2.7K.

El Universo ilustrado en tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal. Fuente: wikipedia

Dado que los fotones pierden energía en el universo en expansión. Por otro lado en algún momento en el pasado, había más energía en forma de fotones que materia ordinaria y oscura combinada. Esto sucedió a un corrimiento al rojo de z = 3900, cuando el universo tenía unos 1/3900 el tamaño que tiene ahora.

2º El corrimiento al rojo no nos dice nada acerca de la expansión en ese momento, o sea en el momento que fueron emitidos. Entonces para una galaxia distante sólo podemos calcular el tamaño relativo del universo a un fotón que se emitió en el presente. El universo podría acelerarse o desacelerse o incluso detenerse en este momento, en fin lo que trato de decir es que nosotros no recibimos directamente el desplazamiento al rojo. Lo que hay son un montón de desplazamientos al rojo, o sea, recibimos la tasa de cambio de estas λ.

3º Si la luz viaja a través de nubes de hidrógeno en su camino desde una galaxia distante de nosotros, la luz directa de la galaxia y de las nubes tendrán un desplazamiento al rojo diferentes. La galaxia será más desplazada hacia el rojo (ya que es más distante), y así sucesivamente. Por otro lado las nubes van a absorber sólo las longitudes de onda que corresponden a las líneas espectrales del hidrógeno. Sin embargo, si tenemos varias nubes, cada una tendrá un corrimiento hacia el rojo diferentes, esto crea un “bosque” de absorción:

Bosque de radiación recibida en la tierra

Se preguntarán como sabemos que el corrimiento al rojo realmente se corresponde con la expansión del universo. Es una pregunta muy interesante, la respuesta a continuación:

* La relatividad general (ya que la RG predice un universo de expansión o contratación)
* Las lentes gravitacionales
* Distancia estimada de galaxias cercanas
* Todas y cada una de las interpretación de la Radiación Cósmica de Fondo
* El modelo del Big Bang

Estos son algunos ejemplos que concuerdan con el corrimiento al rojo y la expansión del universo. Así es como el Big Bang concuerda con el modelo cosmológico más aceptado por los científicos. No estamos obligado a aceptar este modelo pero eso lo dejo en sus manos, claro que si no lo aceptamos tenemos la obligación de o aceptar otro modelo (que los hay) o proponer el nuestro. En caso de proponer el nuestro, éste debe ser consistente con las observaciones que tenemos hasta el momento. Si es una de esas personas intrépidas que quiere proponer un modelo, buena suerte en eso. Hasta el próximo número de conceptos del universo.

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7 respuestas a Acerca de conceptos del Universo #3: Red shift

  1. Guillote dijo:

    LPM, siempre lo asocié al efecto Doppler. Era como la analogía típica. Pero no… Muy buena entrada!

  2. Gabinni dijo:

    Opino lo mismo que Guillote pero tengo algunas dudas. Acá va solo una: En el ejemplo de la pelota inflada se supone, por decirlo así: una expansión uniforme en todos los sentidos. Se ha demostrado que esto sea así, se lo supone o qué se opina al respecto?

    • ye olde fox dijo:

      Es una expansión uniforme a gran escala, claro, acordate de la imagen que puso chimango en su post de materia oscura, tenemos fluctuaciones donde la matera se apelotona, pero la expansión en sí es uniforme. Respecto a si esta probado, simplemente es lo que nos da el modelo más aceptado, igual uno observa que todo se aleja a gran escala, esto es una prueba clara de la expansión, igual podes decir va a suceder luego? una alternativa es el big bounce, que corresponde a un modelo cíclico, pero esto te lo contesto con un post mejor..jeje

  3. Puma dijo:

    Muy bueno, no se porque el ultimo párrafo me hace acordar a la política local 🙂

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