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:
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.