Efecto Doppler
Es de sobra conocido que la luz es un fenómeno ondulatorio (rigurosamente hablando, la luz puede manifestarse como una onda). Como tal, comparte todas las características habitualmente asociadas a una onda:
Destacamos una de ellas, la longitud de onda. La longitud de onda es la distancia entre dos crestas (los puntos más altos) sucesivas de la onda. De la longitud de onda dependerá el color de la luz, y es por tanto lo que distingue unos colores de otros. longitudes de onda grandes corresponden al color rojo y longitudes de onda cortas corresponden al violeta, siguiendo la gama del “arco iris”. Cuando las longitudes de onda se salen de este rango (son más largas que la del rojo o más cortas que la del violeta) hablaremos de “luz no visible” o, mas propiamente, radiación electromagnética no visible (ejemplo de esto son los rayos infrarrojos, la luz ultravioleta, los rayos X, las ondas de radio,...).
Por simplicidad consideremos de aquí en adelante únicamente el espectro de luz visible, es decir, el que va desde el rojo hasta el violeta, olvidándonos del resto de radiación:
El espectro de luz que emiten las estrellas es aproximadamente como el anterior. Pero esa luz, antes de llegar a nosotros, tiene que atravesar la propia atmósfera de la estrella. Esta atmósfera actúa como una cortina, tapando la luz de la estrella, pero una cortina muy particular. Solo “tapa” alguna de las longitudes de onda, dejando pasar todas las demás. Como resultado, el espectro de luz de las estrellas aparece con unas pequeñas sombras:
Estas sombras corresponden a colores muy específicos, que podemos definir por su longitud de onda. Dependiendo de los gases que la luz de la estrella deba atravesar, habrán sido absorbidas unas longitudes de onda u otras. En cierto modo el espectro de luz de cada estrella es como una huella dactilar que podría identificar a la estrella. Pero algunos gases están siempre presentes, como es el caso del hidrógeno. Hay pues algunas “sombras” en el espectro de las estrellas que se repiten siempre, y esto es muy importante, como veremos a continuación.
Supongamos que estamos en Madrid y un amigo nuestro decide viajar a Moscú, recorriendo 1000 km. diarios. Nuestro amigo nos escribirá una carta cada día, y la eficiencia de los servicios postales es tal que una carta recorre también 1000 km. diarios. ¿Cada cuanto tiempo nos llegarán las cartas?. El primer día nuestro amigo estará a 1000 km, la carta tiene que recorrer por tanto 1000 km. De vuelta y nos llegará por tanto al segundo día. Ese segundo día nuestro amigo estará a 2000 km. La segunda carta tardará por tanto 2 días en volver y nos llegará el cuarto día. La tercera carta nos llegará a los 6 días, y así sucesivamente.
Observamos un curioso fenómeno: nuestro amigo nos escribe una carta al día y sin embargo a nosotros nos llegan cada dos días. Esto es un efecto de la velocidad limitada a la que funciona el servicio postal y de la velocidad a que se aleja nuestro amigo. Si, por ejemplo, en lugar de alejarse a 1000 km. diarios se alejara al doble de velocidad, podríamos calcular que las cartas nos llegarían cada 4 días.
Si, al contrario, nuestro amigo viniera de regreso a una velocidad de 500 km. diarios, nos llegarían dos cartas al día.
De esta manera, sabiendo que nuestro amigo manda una carta al día y fiándonos de la precisión del servicio postal, podríamos saber la velocidad a que nuestro amigo se aleja o acerca simplemente midiendo el tiempo que transcurre entre dos cartas consecutivas que nos llegan. Si nos llega una carta cada dos dias, quiere decir que nuestro amigo se aleja a 1000 km./día. Si nos llega una carta cada 4 días quiere decir que se aleja a 2000 km./día. Si nos llega una carta cada 12 horas quiere decir que se acerca a 500 km./día...
Esto que acabamos de explicar, es en cierto modo el efecto Doppler. El fenómeno que sucede con las cartas ocurre con cualquier tipo de onda. Habíamos dicho que la longitud de onda es la distancia entre dos crestas sucesivas de la onda, pero dos crestas consecutivas tardan un cierto tiempo en emitirse. Si un “emisor” de ondas se aleja de nosotros, por la misma razón que antes las cartas tardaban más tiempo en llegarnos que en escribirse, las crestas nos llegarán más alejadas entre sí. Dicho de otro modo, es como si la onda se alargara. Al contrario, si el emisor de ondas se acerca a nosotros, observaremos un acortamiento de la longitud de onda.
Este fenómeno lo observamos comúnmente al oír la sirena de una ambulancia. El sonido es un fenómeno ondulatorio. Cuando la ambulancia se acerca a nosotros, la onda del sonido se acorta, pero cuando se aleja la onda se alarga. Por eso la sirena suena distinto según se aleje (sonido más grave) o se acerque (sonido más agudo).
Lo mismo pasa con la luz. Cuando una fuente luminosa que se aleja de nosotros, recibimos alargada su longitud de onda. Puesto que la luz visible de longitud de onda más larga es el rojo, a este fenómeno se le conoce como corrimiento al rojo. Por el contrario, si la fuente luminosa se acerca a nosotros, observaremos un acortamiento en las longitudes de onda, y es a lo que llamamos corrimiento al violeta.
Observemos por ejemplo los siguientes espectros:
El espectro superior corresponde a una estrella que se encuentra aproximadamente en reposo respecto a nosotros (ni se acerca ni se aleja). Vemos en él dos sobras. En el segundo espectro podemos ver que las sombras se han desplazado hacia el color rojo. Esto quiere decir que la estrella que emite esa luz se está alejando de nosotros. Midiendo ese desplazamiento podremos calcular la velocidad a que la estrella se aleja. En el último espectro observamos el efecto contrario. Las sombras se han desplazado hacia el violeta, lo que quiere decir que el espectro pertenece a una estrella que se acerca a nosotros.
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