Redshift


Redshift através do efeito Doppler

O redshift (desvio para o vermelho, em português) através do efeito Doppler  é a medida do aumento no comprimento de onda (ou diminuição da frequência) de uma onda eletromagnética quando a fonte emissora se afasta em relação ao observador. 

A observação do redshift depende de estabelecermos um “espectro de referência”, que é simplesmente o espectro do corpo a ser estudado em um dado instante no tempo, lembrando que cada elemento químico ou átomo possui espectro único que o caracteriza. Após a definição desse espectro, o mesmo corpo observado em movimento relativo ao observador vai produzir um espectro deslocado em relação ao espectro de referência.  

 

 Figura 1 – Determinação do redshift através do espectro de referência.


 

Crédito da figura – adaptado de; http://stokes.byu.edu/teaching_resources/redshift.html

O redshift, z, pode ser apresentado matematicamente de uma forma mais usual(*)

onde

λo: comprimento de onda observado;

λe: comprimento de onda emitido (considerando o objeto em repouso).

Podemos desenvolver a equação do redshift para a frequência:

onde

ν0: frequência da onda observada;

νe: frequência da onda emitida (considerando o objeto em repouso).

De acordo com a definição, se uma fonte luminosa estiver se afastando de um observador, caso do redshift, tem-se que z > 0; se uma fonte luminosa estiver se deslocando na direção do observador, temos então um blueshift,  onde z < 0.

Se a fonte estiver se afastando do observador ou se aproximando do observador com uma velocidade v baixa, a equação do redshift pode ser reduzida para

onde c é a velocidade da luz e o sinal de v é positivo para o objeto se afastando e negativo para o objeto se aproximando.

     

Redshift cosmológico ou redshift de Hubble.

Os atuais modelos cosmológicos prevêem a expansão do espaço-tempo. O interessante desta interpretação é que as estruturas celestes como as galáxias e aglomerados não alteram suas propriedades, mas o próprio espaço-tempo é esticado, esticando assim os comprimentos de onda da luz nele contido, causando um efeito muito semelhante ao efeito Doppler.

 

Figura 2 – Representação da expansão de espaço tempo.

Disponível em https://i0.wp.com/www.nature.com/polopoly_fs/7.11428.1373992334!/image/1.13379.jpg_gen/derivatives/landscape_630/1.13379.jpg

 Figura 3 – Expansão do espaço tempo com seu respectivo aumento no comprimento de onda.

Crédito da figura - Disponível em:

 http://www.treccani.it/export/sites/default/Portale/resources/multimedia/Lezioni_fisica/astrofisica/cosmo_LEZIONE.pdf

 

A equação que define o redshift cosmológico é


onde γ é o fator de Lorentz,

       

 

A Figura abaixo nos mostra um exemplo da aplicação do redshift cosmológico. 

Figura 4 –Exemplo do mecanismo do redshift.

Disponível em: disponível em http://calgary.rasc.ca/images/redshifts.gif

 

A figura mostra três instantes do tempo, os quais descreveremos à seguir:

  • Em A. Durante o início do Universo, cerca de 670 milhões de anos após o Big Bang, a 13,8 bilhões de anos atrás, talvez quando a nossa galáxia e o sistema solar estavam começando a se formar, um pulso de luz deixa  a galáxia A1689-Zd1 – que está a 3,35 bilhões de anos-luz de distância– , e inicia a sua viagem em direção a nossa localização. Nesse exemplo, um pulso de luz amarela foi emitido.
  •  Em B. Ao longo dos próximos bilhões de anos, o Universo e nosso sistema solar evoluíram para o ponto em que a Terra existe como um planeta formado. Durante esse tempo, o pulso de luz tem viajado uma grande distância, mas ainda não atingiu a Terra. Desse modo a luz também fica "esticada" devido à expansão do Universo em grandes escalas. O comprimento de onda, portanto, iria parecer deslocado para a parte laranja do espectro (se existisse alguém "lá fora" para observá-lo). Além disso, a sua intensidade diminui devido à distância e a perda de energia pelos fótons. Podemos também observar que, devido à expansão do Universo, a galáxia fonte alterou sua posição relativa; mudou seu local original e agora se encontra a vários bilhões de anos-luz mais longe. Novamente, isto não é causado por seu "movimento próprio", ou seja, o movimento local por meio de sua região do Universo, mas pela expansão do espaço entre "nós" e a galáxia que estamos observando.
  • Em C. Hoje, 13 bilhões de anos após o pulso de luz que deixou a galáxia, detectores em nosso "Blue Marble" finalmente recebem o pulso de luz que tem viajado por 13 bilhões de anos contra a expansão do Universo. Seu comprimento de onda é muito mais longo (deslocado para vermelho) e sua amplitude (intensidade) é muito menor (o que exige grandes telescópios para coletar luz suficiente para vê-lo). Enquanto isso, a própria galáxia fonte vem se movendo para cada vez mais longe de nós em função da expansão do Universo. E a grandes distâncias, a taxa de expansão aumenta, então agora a galáxia está muito longe deslocada para a direita e fora da nossa figura.

 


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