Desvio para o vermelho

Em termos muito simples o desvio para o vermelho (também conhecido pelo termo inglês redshift) corresponde a uma alteração na forma como a frequência das ondas de luz é observada no espectroscópio em função da velocidade relativa entre a fonte emissora e o receptor observador.

Devido à invariância da velocidade da luz no vácuo e admitindo um emissor e um receptor em repouso relativo, um raio de luz é captado como uma cor padrão em função de sua frequência. Na descrição ondulatória, o período (inverso da frequência da luz) é definido pelo intervalo de tempo medido entre duas cristas consecutivas da onda. Quando o emissor e o observador estão em repouso relativo, ambos medem a mesma frequência.

Se o emissor (fonte de luz) se move na direção do receptor, o intervalo de tempo que o receptor mede entre duas cristas consecutivas será inferior ao medido pelo emissor, logo o receptor observa um desvio para a gama de cores de mais elevada frequência (desvio para o azul no espectro). Se o emissor (fonte) se afasta do receptor observador, o intervalo de tempo que este mede entre duas cristas consecutivas aumenta, observando um desvio para a gama de cores de mais baixa frequência (desvio para o vermelho no espectro).

O mesmo fenômeno ocorre quando o receptor se move em direção ou em fuga da fonte, pois o que importa é a velocidade relativa entre a fonte e o receptor.

O desvio para o vermelho pode ter três causas distintas: o Efeito Doppler descrito acima, o campo gravitacional da fonte (a luz perde energia ao subir no campo gravitacional da estrela) e a expansão do Universo ("redshift" cosmológico).^[1]

No "redshift" cosmológico o desvio ocorre devido à expansão do espaço em si, isto é, o comprimento de onda aumenta diretamente como resultado da expansão do espaço.

Relação do desvio para o vermelho como prova da expansão do universo

Em 1922 e 1924 o cientista russo Alexander Friedmann e em 1927 e 1931 o cosmólogo belga Georges Lemaître, publicaram artigos pioneiros que retratavam um universo em expansão ^[2].

Entre 1912 e 1923 Vesto Melvin Slipher (1875-1969), mostrou que algumas nebulosas espirais distantes estavam se afastando da Terra, a partir do estudo das suas linhas espectrais ^[3].

Em 1929 surgiu outra comprovação convincente da hipótese de um universo não estático, o astrônomo Edwin Powell Hubble identificou certo desvio para o vermelho ao observar espectros emitidos por nebulosas ^[2].

Analisando esse desvio (“redshift”), é possível constatar que a nebulosa está se distanciando axialmente do observador, ou seja, ocorre um efeito Doppler que é a ampliação ou redução da frequência de uma onda em referência a um corpo em movimento, sendo assim, o que teoricamente provoca esse desvio é o movimento de recessão da nebulosa ^[2].

O efeito Doppler deve o nome ao físico austríaco Christian Doppler, ele notou a variação da frequência sonora em um corpo em movimento. A principio Doppler relacionava esse fenômeno apenas para ondas sonoras, mas deixava claro que poderia ser assim também para a luz, caso esta fosse comprovada como onda. Sendo assim, ocorre um desvio para o vermelho ("redshift") no caso de um emissor de luz se afastando do ponto de referência (redução da frequência), ou um desvio para o azul ("blueshift") no caso de um emissor se aproximando do ponto de referência (aumento da frequência) ^[4].

Para ser possível observar esse desvio para o vermelho é necessário que a velocidade do corpo que está se afastando seja muito alta. As estrelas que são possíveis de serem observadas por um telescópio no céu noturno, possuem um desvio no seu comprimento de onda de apenas alguns nanômetros, podendo só ser detectado através de equipamentos astronômicos muito sensíveis ^[3].

Doppler mostrou que o desvio do comprimento de ondas luminosas ( $\Delta \lambda$ ), é dado pela seguinte equação ^[3]:

$\Delta \lambda =\lambda _{em}{\frac {v}{c}}$

Sendo,

$\Delta \lambda =\lambda _{obs}-\lambda _{em}$

Onde,

$\lambda _{obs}$ é o comprimento de onda observado.

$\lambda _{em}$ é o comprimento de onda emitido pela fonte (o que seria observado caso a fonte e o observador não estivessem se afastando).

$v$ é a componente radial de velocidade em relação a fonte e o observador.

$c$ é a velocidade da luz no vácuo.

Utilizando os dados de Slipher e de Hubble, o cosmólogo Robertson em 1928, mostrou que as relações entre velocidade e distância existentes no afastamento dos corpos no universo, mas publicou o seu artigo em um jornal de física, não muito lido por astrônomos^[5].

No entanto a descoberta do universo em expansão é normalmente atribuída a Hubble, que em 1929 estabeleceu a lei (hoje chamada de Lei de Hubble) de que quanto mais distante um corpo está no universo em relação ao um ponto, este se distancia desse ponto com maior velocidade ^[3].

Desvio para o vermelho e quasares

O fato mais estranho a respeito dos quasares é seu desvio da luz para o vermelho (ou redshift), que é muito elevado. Altos redshifts são indicativos da grande distância deles até a Terra.

O redshift dos quasares mede a velocidade com que o universo se expande. Ele é um indicador de distâncias cósmicas. Quanto mais para o vermelho do espectro, mais o objeto parece mover-se para longe de nós. Alguns quasares estão afastando-se a uma velocidade de aproximadamente $0,9c$ , caso o desvio se deva inteiramente ao Efeito Doppler, que causa mudança da luz para o vermelho do espectro.

Isto os tornaria os objetos mais distantes conhecidos, da ordem de 10 bilhões de anos-luz da Terra. Quasares com alto redshift são de vital importância para os cientistas. Eles são vistos a grandes distâncias por serem muito luminosos, vê-se o universo com 10% da idade atual.

O redshift é definido em termos do parâmetro $z$ .

z=\Delta \lambda /\lambda =[(1+(v/c))/(1-(v/c))]^{1/2}

Para os mais de 100 quasares observados $z$ está entre 0,16 e 3,53. O cálculo de $v/c$ é dado por:

v/c=((z+1)^{2}-1)/((z+1)^{2}+1)

Referências

↑ Bedran, M.L. (2002) http://www.df.uba.ar/users/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/cosmo/doppler_redshift.pdf "A comparison between the Doppler and cosmological redshifts"; American J. Physics 70(4),406-408.
↑ ^a ^b ^c ASSIS, A. K. T.; NEVES, M. C. D.; SOARES, D. S. L. A cosmologia de Hubble: De um universo finito em expansão a um universo infinito no espaço e no tempo. In: M. C. D. Neves e J. A. P. d. Silva. (Org.). Evoluções e Revoluções: O Mundo em Transição. Maringá: Editora Massoni e LCV Edições, p. 199-221, 2008.
↑ ^a ^b ^c ^d BORGES, J. N. P. A cosmologia, e a radiação cósmica de fundo, como elemento motivador no ensino secundário. Dissertação (mestrado em ensino da astronomia) - Universidade do Porto, 2008.
↑ MAGALHÃES, M. H. M. S. Uma introdução à cosmologia: Proposta para a formação de professores do ensino básico e secundário. Dissertação (Mestrado em Ensino da Astronomia) – Universidade do Porto, 2003.
↑ HENRIQUE, A. B.; SILVA, C. C. Controvérsias na cosmologia. Texto (parte auxiliar da pesquisa de mestrado “Discutindo a natureza da ciência a partir de episódios da história da cosmologia”) – Universidade Federal de São Paulo, 2011.

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[1] Bedran, M.L. (2002) http://www.df.uba.ar/users/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/cosmo/doppler_redshift.pdf "A comparison between the Doppler and cosmological redshifts"; American J. Physics 70(4),406-408.

[assis-2] ASSIS, A. K. T.; NEVES, M. C. D.; SOARES, D. S. L. A cosmologia de Hubble: De um universo finito em expansão a um universo infinito no espaço e no tempo. In: M. C. D. Neves e J. A. P. d. Silva. (Org.). Evoluções e Revoluções: O Mundo em Transição. Maringá: Editora Massoni e LCV Edições, p. 199-221, 2008.

[borges-3] BORGES, J. N. P. A cosmologia, e a radiação cósmica de fundo, como elemento motivador no ensino secundário. Dissertação (mestrado em ensino da astronomia) - Universidade do Porto, 2008.

[magalhães-4] MAGALHÃES, M. H. M. S. Uma introdução à cosmologia: Proposta para a formação de professores do ensino básico e secundário. Dissertação (Mestrado em Ensino da Astronomia) – Universidade do Porto, 2003.

[henrique-5] HENRIQUE, A. B.; SILVA, C. C. Controvérsias na cosmologia. Texto (parte auxiliar da pesquisa de mestrado “Discutindo a natureza da ciência a partir de episódios da história da cosmologia”) – Universidade Federal de São Paulo, 2011.

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