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Curso de Radioastronomía básica del Jet Propulsion Laboratory (JPL). Capítulo 5

Radiotelescopio de Goldstone Apple Valley. Créditos: NASA/JPL.

Traducido al español por Consuelo González para Seti.cl

Efectos del Movimiento y de la Gravedad

Objetivos: Cuando haya completado este capítulo, usted será capaz de describir el efecto Doppler sobre la frecuencia de las partículas/ondas que son recibidas, describir el importancia del corrimiento hacia el rojo y hacia el azul del espectro, describir los efectos de la gravedad sobre la radiación electromagnética, describir la expansión superlumínica y definir la ocultación.

Radiotelescopio de Goldstone Apple Valley. Créditos: NASA/JPL.
Radiotelescopio de Goldstone Apple Valley. Créditos: NASA/JPL.

Efecto Doppler

Independientemente de la frecuencia que tengan las ondas electromagnéticas, éstas están sujetas al efecto Doppler. El efecto Doppler hace que la frecuencia de la radiación observada desde una fuente difiera de la frecuencia radiada real si es que hay un movimiento que cause que aumenta o disminuya la distancia entre la fuente y el observador. El mismo efecto se puede observar fácilmente como la variación en el tono del sonido entre una fuente en movimiento y un observador fijo, o viceversa.

Cuando la distancia entre la fuente y el receptor de las ondas electromagnéticas se mantiene constante, la frecuencia de la fuente y la frecuencia de las formas de onda recibidas son la misma. Cuando la distancia entre la fuente y el receptor de ondas electromagnéticas aumenta, la frecuencia de las formas de onda recibidas es más baja que la frecuencia de la forma de onda de la fuente de origen. Cuando la distancia disminuye, la frecuencia de la forma de onda recibida será más alta que la frecuencia de la forma de onda del origen.

El efecto Doppler es muy importante tanto para la astronomía óptica como la de radio. El espectro observado de objetos que se mueven a través del espacio acercándose a la Tierra se desplaza hacia el azul (longitudes de onda más corta), mientras que el espectro observado de los objetos que se mueven a través del espacio alejándose de la Tierra se desplaza hacia el rojo. El efecto Doppler actúa en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético. Por lo tanto, el fenómeno de acortamiento aparente de longitudes de onda en cualquier parte del espectro de una fuente que se está moviendo hacia el observador se llama corrimiento al azul, mientras que el alargamiento aparente de las longitudes de onda en cualquier parte del espectro de una fuente que se aleja de la observador se llama corrimiento al rojo.

Relativamente son pocos los objetos extraterrestres que han sido observados desplazándose hacia el azul, y sucede que éstos están muy cerca entre sí, cósmicamente hablando. Ejemplos de ellos, son los planetas del sistema solar con los que de vez en cuando nos acercamos, debido a nuestra posición relativa en nuestra órbita alrededor del Sol, también lo son otros objetos en nuestra galaxia, algunas nubes moleculares, así como algunas galaxias que forman parte de lo que se denomina el grupo local.

Casi todos los otros objetos distantes están desplazados hacia el rojo. El desplazamiento al rojo del espectro de los objetos más lejanos se debe al simple hecho de que el universo se está expandiendo. El espacio mismo se está expandiendo entre nosotros y los objetos distantes, por lo que se están alejando de nosotros. Este efecto se llama corrimiento al rojo cósmico, pero aún es debido al efecto Doppler.

Las distancias a los objetos extragalácticos pueden estimarse con base, en parte, sobre el grado de corrimiento al rojo de su espectro. A medida que el universo se expande, todos los objetos se alejan entre sí a una velocidad proporcional a su distancia. La constante de Hubble relaciona la velocidad de expansión de la distancia y es muy importante para la estimación de distancias sobre la base de la cantidad de corrimiento al rojo de la radiación de una fuente. Nuestra estimación actual de la constante de Hubble es de 60-80 km/s por cada millón de parsecs (1 parsec = 3,26 años luz).

Los espectros de los cuásares, por ejemplo, están muy desplazados al rojo. Junto con otras características, como su notable energía, este desplazamiento al rojo indica que los quásares son los objetos más antiguos y más distantes que hemos observado. ¡Los quásares más distantes parecen estar alejándose a más del 90% de la velocidad de la luz!

Corrimiento al Rojo Gravitacional

El corrimiento al rojo, por supuesto, indica un alargamiento de la longitud de onda. Una longitud de onda alargada indica que la radiación ha perdido parte de su energía desde el instante en que dejó su fuente.

Según lo predicho por Einstein, la radiación también experimenta una ligera cantidad de corrimiento al rojo debido a las influencias gravitacionales. El corrimiento al rojo gravitacional se debe al cambio en la fuerza de gravedad y se produce mayormente cerca de cuerpos masivos. Por ejemplo, como la radiación deja a una estrella, la atracción gravitatoria cerca de ella produce un alargamiento muy leve de las longitudes de onda, y la radiación pierde energía en su esfuerzo por escapar de la atracción de la gravedad del objeto de mayor masa. Este desplazamiento al rojo disminuye en efecto cuando la radiación viaja fuera de la esfera de influencia de la gravedad de la fuente.

Lente Gravitacional

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que el espacio es deformado alrededor de objetos masivos.

En 1979, los astrónomos observaron dos cuásares notablemente similares y muy próximos entre sí. Tenían la misma magnitud, espectro, y corrimiento hacia el rojo. Se preguntaban si las dos imágenes en realidad podrían representar el mismo objeto. Resultó que una galaxia estaba ubicada directamente en la ruta entre los dos cuásares y la Tierra, mucho más cerca de ésta que de los cuásares. La geometría y la estimación de la masa de la galaxia eran tales que produjeron un efecto de lente gravitacional – es decir, una deformación de la luz a su paso por el espacio alrededor de la galaxia.

Muchos otros casos de lentes gravitacionales han sido detectados. La lente gravitacional puede producir más de dos imágenes, o incluso arcos. Las imágenes producidas por las lentes gravitacionales puntuales pueden parecer mucho más brillantes que la fuente original si ésta apareciera en ausencia de la lente gravitacional.

Velocidades Superlumínicas

Algunas fuentes discretas (que se definen en el siguiente capítulo) dentro de los quasars han sido observadas cambiando de posición durante un breve período. Su movimiento generalmente parece, para el observador, ser radialmente hacia fuera del centro de la imagen del quasar. Las velocidades aparentes de estos objetos han sido medidas, y si el corrimiento al color rojo en realidad representa a la distancia y a las velocidades de recesión del quasar, entonces ¡Estos objetos discretos se están moviendo a velocidades mayores que la de la luz! Llamamos a estas velocidades aparentes como velocidades superlumínicas o expansión superlumínica.

Bien, sabemos que esto es imposible, ¿Cierto? Así es que los astrónomos tuvieron que concebir una explicación más razonable. La explicación más aceptada es que la radiación emitida por un objeto en una primera posición (A en el diagrama a continuación) ha viajado más lejos y, por lo tanto, haber tardado más en llegar a la Tierra que la radiación emitida desde una segunda posición (B), que está a 5 años luz de la posición en A.

Supongamos que A está 4 años luz más lejos de la Tierra que B (o en otras palabras, entre A y C hay 4 años luz). Moviéndose sólo un poco por debajo de la velocidad de la luz, el objeto toma un poco más de 5 años luz para viajar desde A a B. Sin embargo, la radiación que éste emite en A alcanza a C en 4 años. Como esta radiación continua viajando hacia la Tierra, se encuentra un año adelantada respecto a la radiación emitida hacia nosotros por el objeto cuando llegó a B. Cuando finalmente llega a la Tierra (después de varios miles de millones de años), la forma de radiación de A aún está un año adelantada respecto a la radiación desde B. Esto aparenta para nosotros que el objeto se ha movido tangencialmente fuera del centro del quásar, desde C a B y (tomando en cuenta el teorema de Pitágoras) ¡Ha ido a tres años luz en poco más de un año! Que el objeto parezca viajar a casi tres veces la velocidad de la luz es solamente debido a un efecto de proyección, con su radiación que viajó de A a C en 4 años, mientras que el objeto en sí, viajó desde A a B en 5 años.

Ocultaciones

Cuando un cuerpo celeste pasa entre la Tierra y otro cuerpo celeste, se dice que el objeto que está total o parcialmente escondido a nuestra vista está ocultado. Ejemplos de ocultaciones son: La Luna pasando por delante de una estrella o de un planeta, o un planeta que pasa por delante de una estrella, o un planeta pasando por delante de otro planeta como ocurrió en el año 1590, cuando Venus ocultó a Marte.

Una ocultación puede proporcionar una oportunidad sin paralelo para estudiar cualquier atmósfera existente en el planeta que oculta a otro objeto. Como la radiación del objeto más lejano pasa a través de la atmósfera del que está más próximo, ésta se verá influida por las propiedades de esa atmósfera. El grado de refracción de la radiación otorga información sobre la densidad y grosor de la atmósfera, mientras que los estudios espectroscópicos dan información sobre su composición.

Recapitulación

1. El efecto Doppler hace que la longitud de onda de energía emitida por un objeto alejándose del observador aparente ser _________ que cuando salió de la fuente.

2. Los espectros de los objetos que se mueven hacia nosotros están corridos hacia el _____.

3. Además del efecto Doppler, otra causa del corrimiento espectral hacia el rojo es la fuerza de __________ o la radiación que viaja lejos desde una fuente masiva.

4. Los espectros de los quasars están bastante desplazados hacia el rojo, indicando que estos objetos se están __________ de nosotros.

5. La deformación del espacio en torno a los objetos masivos explica el efecto de la lente ___________.

6. Es generalmente aceptado que las velocidades  superlumínicas aparentes que se han observado son debidas a un efecto de __________.

Respuestas: 1. más larga – 2. azul – 3. gravedad – 4. alejando – 5. gravitacional – 6. proyección.

Para más estudio:

  • Doppler effect: Kaufmann, 96-97, 460-461; Wynn Williams, 24-25, 186; Morrison et al., 120-121.
  • Hubble Constant: Kaufmann, 482-485; Morrison et al., 563, 607-609.
  • Gravitational lensing: Kaufmann, 445-447; Morrison et al., 581-583.
  • Superluminal motion: Kaufmann, 515-516.
  • Occultations: Kaufmann, 243.

Fuente: Basics of Radio Astronomy.

2 thoughts on “Curso de Radioastronomía básica del Jet Propulsion Laboratory (JPL). Capítulo 5

  1. Muchas gracias por tus palabras Pedro…

    Es gratificante ver lo útil que puede ser esta información para los lectores de Seti.cl, puesto que es difícil encontrar contenidos sobre radioastronomía en nuestro idioma, así es que el entusiasmo está por continuar ofreciendo este tipo de material para todos…

    Consuelo CD5520.

  2. Creo que has escogido un excelente texto para traducir, Consuelo, es muy instructivo y accesible.
    Agradezco tu esfuerzo a nombre de todos los usuarios actuales y futuros y quiero animarte para continuar!

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