08 El efecto Doppler
El matemático y astrónomo austríaco Christian Doppler definió el efecto Doppler en 1842. Está causado porque el vehículo emisor se mueve respecto al observador. Conforme el vehículo se acerca, sus ondas de sonido se amontonan, la distancia entre los frentes de onda se acorta y el sonido nos suena más agudo. Conforme se aleja a toda velocidad, los frentes de onda tardan un poco más en llegar a nosotros, los intervalos se vuelven más largos y el tono cae. Las ondas de sonido son ondas de aire que se comprime y se expande.
Planetas extrasolares
Se han descubierto más de 200 planetas orbitando alrededor de estrellas diferentes a nuestro Sol. La mayoría son gigantes de gas semejantes a Júpiter, pero que orbitan mucho más cerca de sus estrellas centrales; no obstante, se han avistado también unos cuantos planetas posiblemente rocosos, de un tamaño semejante al de la Tierra. El descubrimiento de que en alrededor de una de cada diez estrellas hay planetas ha alimentado la especulación de que algunos de ellos pueden albergar formas de vida. La gran mayoría de los planetas se han localizado al registrar el tirón gravitacional que ejerce el planeta sobre su estrella anfitriona. Los planetas son pequeños comparados con las estrellas alrededor de las cuales orbitan, así que es difícil verlos contra el resplandor de su estrella. Sin embargo, la masa de un planeta hace que la estrella se tambalee un poco, y ese bamboleo se refleja como un cambio Doppler en la frecuencia de algún rasgo característico en el espectro de la estrella. Los primeros planetas extrasolares se detectaron alrededor de un púlsar en 1992 y alrededor de una estrella normal en 1995. Su detección es ahora rutinaria, pero los astrónomos siguen buscando sistemas solares semejantes al de la Tierra e intentan descubrir cómo se producen las diferentes configuraciones planetarias. Los científicos esperan que nuevos observatorios espaciales, como la sonda espacial Kepler de la Nasa, lanzada en 2009, identifiquen algún planeta semejante a la Tierra.
De un lado a otro Imaginemos que alguien a bordo de un tren empieza a lanzarnos pelotas, con un intervalo de tres segundos, según el cronómetro de su reloj de muñeca. Si las pelotas se mueven hacia nosotros, el intervalo entre la llegada de dos bolas consecutivas será un poco menor de tres segundos, puesto que cada vez las lanzan desde un poco más cerca, así que el ritmo parecerá un poco más rápido al receptor. De manera similar, conforme el tren se aleja, las pelotas tardan ligeramente más en llegar, ya que con cada lanzamiento deben recorrer una pequeña distancia añadida, así que su frecuencia de llegada es más baja. Si pudiéramos medir ese cambio de intervalo con nuestro propio reloj, podríamos averiguar la velocidad a la que se desplaza el tren lanzador. El efecto Doppler se aplica a cualquier objeto que se mueva en relación a otro. Por tanto, ocurriría lo mismo si alguien se moviera en un tren y el lanzador de la pelota estuviera quieto en un andén fijo. Como manera de medir la velocidad, el efecto Doppler tiene muchas aplicaciones. Se usa en medicina para medir el flujo sanguíneo y en radares de carretera para atrapar a conductores que sobrepasan la velocidad permitida.
«Es posible que, cuando algún pueblo lejano de otro planeta capte alguna longitud de onda de la Tierra, lo único que oigan sea un grito continuo.»
Iris Murdoch
CHRISTIAN DOPPLER (1803-1853)
Christian Doppler nació en una familia de picapedreros en Salzburgo, Austria. Su constitución enclenque no le permitió seguir con el negocio de la familia y fue a la Universidad de Viena para estudiar matemáticas, filosofía y astronomía. Antes de conseguir un trabajo en la Universidad de Praga, tuvo que trabajar como contable, e incluso consideró emigrar a América. Aunque fue ascendido a profesor, Doppler tuvo dificultades para sobrellevar su trabajo, lo que hizo mella en su salud. Uno de sus amigos escribió: «Parece mentir el fructífero genio que podría ser este hombre para Austria. He escrito a … mucha gente que puede salvar a Doppler para la ciencia y no dejarlo morir bajo el yugo. Por desgracia, me temo lo peor». Doppler finalmente dejó Praga y regresó a Viena. En 1842, presentó un artículo en el que describía el cambio de color en la luz de las estrellas al que ahora damos el nombre de efecto Doppler: «Sabemos casi con seguridad que, en un futuro no demasiado lejano, ofrecerá a los astrónomos una herramienta adecuada para determinar los movimientos y las distancias de tales estrellas». Aunque sin duda era ingenioso, su acogida entre los demás científicos destacados fue muy diversa. Los detractores de Doppler cuestionaron su capacidad matemática, mientras que sus amigos tenían en muy alta consideración su creatividad e intuición científicas.
El movimiento en el espacio El efecto Doppler aparece frecuentemente en la astronomía, y demuestra que por todas partes hay materia en movimiento. Por ejemplo, se pueden apreciar cambios Doppler en la luz proveniente de un planeta que orbita en torno a una estrella lejana. Cuando el planeta se mueve hacia nosotros, la frecuencia de su luz aumenta, y cuando se aleja, la frecuencia de su luz cae. Se dice que la luz del planeta que se acerca se desplaza hacia el azul; cuando se aleja, se desplaza hacia el rojo. Desde la década de los noventa del siglo XX, se han descubierto cientos de planetas alrededor de estrellas distantes al encontrar la impronta de un patrón de desplazamiento Doppler en el resplandor de una estrella central.
Los desplazamientos al rojo no sólo se producen debido a los movimientos orbitales de los planetas, sino también por la expansión del propio universo, y en ese caso se llama desplazamiento hacia el rojo cosmológico.
Como la distancia que nos separa de una galaxia lejana aumenta progresivamente por la expansión del universo, podemos decir que esa galaxia se aparta de nosotros a cierta velocidad, en un fenómeno similar a cuando dos puntos de un globo que se infla parezcan apartarse. Como las ondas de luz deben viajar cada vez más para alcanzarnos, la frecuencia de la luz de la galaxia baja. En consecuencia, las galaxias muy lejanas son más rojas que las que están cerca. Debemos tener en cuenta, no obstante, que estrictamente hablando el desplazamiento hacia el rojo cosmológico no es un verdadero efecto Doppler porque la galaxia que retrocede no se mueve realmente en relación a ningún otro objeto cercano. La galaxia está fija en su entorno y, en realidad, lo que se expande es el espacio intermedio que la separa de nosotros.
Dicho sea en su honor, el propio Doppler vio que el efecto que lleva su nombre podría ser útil para los astrónomos, pero ni siquiera él pudo prever todas las consecuencias. Aunque afirmó que lo había visto en los colores de la luz de las estrellas dobles, en su época no aceptaron este punto. Doppler era un científico imaginativo y creativo, pero algunas veces su entusiasmo sobrepasaba su habilidad experimental. Décadas después, no obstante, el astrónomo Vesto Slipher midió los desplazamientos hacia el rojo galácticos, estableciendo las bases para el desarrollo del modelo del universo del Big Bang. Y ahora el efecto Doppler puede ayudar a identificar los mundos que orbitan estrellas lejanas y que podrían albergar vida.
Definición de desplazamiento hacia el rojo, z
Los desplazamientos hacia el rojo y hacia el azul se expresan en términos del cambio en las longitudes de onda (o de las frecuencias) observada y emitida por un objeto. Los astrónomos se refieren a esta relación usando el símbolo sin dimensiones, z, de manera que la razón entre la longitud de onda observada y la emitida es igual a 1 + z.
Los desplazamientos hacia el rojo, definidos así, se usan como un modo de expresión abreviado de la distancia a la que se encuentra un objeto astronómico. Por tanto, si tenemos una galaxia en la que z = 1, por ejemplo, observaremos su luz con el doble de longitud de onda a la que se emitió, y podríamos saber que estaría por la zona media del universo. Las galaxias más lejanas conocidas tienen una relación de z = 7 - 9, lo que indica cerca del 80% del universo. El fondo cósmico de microondas, lo más lejana que se puede ver, está a un z de aproximadamente 1.000.
Cronología:
1842: Doppler presenta su artículo sobre el cambio de color de la luz de las estrellas
1912: Vesto Slipher mide los desplazamientos hacia el rojo de las galaxias
1992: Primera detección de un planeta extrasolar mediante el método Doppler
La idea en síntesis: un tono alargado