Você já se perguntou como pesquisadores e físicos conseguiram mapear uma enorme quantidade do universo de seus laboratórios de pesquisa isolados com apenas um telescópio, um computador e dados estatísticos específicos para ajudá-los? Não precisamos mais sair em viagens para ver longe e além? A era de Colombo, Marco Polo, Vasco da Gama e outros grandes viajantes chegou ao fim?
(Crédito da foto: Emanuel Leutze / Wikimedia Commons)
Infelizmente sim. Vamos tentar entender a situação de maneira realista.
Para fazer isso, vamos usar um mapa reduzido do nosso universo conhecido. Se o sol estiver posicionado a 1 polegada da terra, a estrela mais próxima (Proxima Centauri) fica a cerca de 7 km de distância. O sol, na distância real, está a cerca de 149,6 milhões de quilômetros da Terra, de modo que Proxima Centauri seria insanamente mais distante. O número é inimaginável, em torno de 40,14 trilhões de quilômetros. Não podemos mais usar navios ou aviões para explorar distâncias tão vastas como poderíamos fazer ao viajar pelo mundo.
Os humanos não são tecnologicamente avançados o suficiente para fazer viagens incríveis ao espaço na época atual. Em vez disso, nos tornamos mais inteligentes com nossos métodos de exploração e observação.
Você já viu um carro da polícia passando? Quando se aproxima de você, a sirene é ouvida mais alto (invocando o medo nos corações dos criminosos). Como o carro se afasta, a intensidade do som diminui também. Isso é conhecido como o efeito Doppler .
Como isso ajuda nossa viagem espacial? Como mencionado anteriormente, os humanos são espertos. Percebemos que o efeito Doppler poderia ser observado, não apenas nas ondas sonoras, mas em todos os tipos de ondas. A luz é uma onda eletromagnética; nós usamos este fato a nosso favor.
(O efeito Doppler em ação) (Crédito da foto: canal do Youtube da Science ABC)
Efeito Doppler na luz
Quando estamos lidando com a luz como a onda do sujeito, obviamente vemos as mudanças visíveis, não as audíveis, diferentemente do caso das ondas sonoras. No entanto, o princípio permanece o mesmo.
À medida que a fonte das ondas (luz) se afasta do observador estacionário (você), a freqüência das ondas de luz que alcançam seus olhos diminui (o comprimento de onda aumenta). Pelo contrário, se a fonte de luz está se aproximando do observador, a freqüência da onda aumenta (o comprimento de onda diminui).
O que são o turno vermelho e o turno azul?
Você já presenciou um arco-íris?
Se sim, então você certamente notou bandas de cores que compõem o arco-íris. Isso é o que você chamaria de espectro visível da luz, que um olho sem ajuda pode perceber em condições normais.
(um espectro de cores em um arco-íris) (Créditos das fotos: IanSt8 / Shutterstock)
O efeito Doppler também é observado no espectro visível. Quando uma fonte de luz visível se afasta de um observador, a luz que entra tende a se mover em direção à região vermelha (região de maior comprimento de onda) do espectro. Isso é chamado de turno vermelho.
Da mesma forma, se a fonte estiver se movendo em direção ao observador, as ondas de luz que chegam tendem a se deslocar para mais perto da região azul (menor comprimento de onda) do espectro visível. Isso é chamado de turno azul.
(Alongamento do comprimento de onda em um redshift e um turno azul, longe dos comprimentos de onda originais, como visto em um espectro de absorção)
Como o turno vermelho e o turno azul nos ajudam a mapear o universo?
Agora que você entende turno vermelho e turno azul , prepare-se para algumas revelações que esses elementos simples podem oferecer.
Os astrônomos podem usar turno vermelho para determinar o movimento da nossa Via Láctea. Isto é conseguido medindo o desvio Doppler na luz de entrada das galáxias próximas e comparando os resultados, em particular, intervalos de tempo, para determinar o deslocamento.
Essa informação revela como outras galáxias, nebulosas ou qualquer outro corpo emissor de luz está se movendo, com que magnitude e em qual direção.
Abrangendo desde a galáxia mais próxima, Andromeda, até as mais distantes galáxias “high redshifted”, o efeito Doppler abriu o caminho para inúmeras observações com níveis extremamente altos de precisão.
Isso também nos deu um vislumbre do estado original do universo, cerca de 13,7 bilhões de anos atrás, quando a história cósmica começou com o Big Bang.
O universo não só vem se expandindo desde então, mas sua expansão também está se acelerando. Atingir esses resultados foi um pouco além do simples efeito Doppler . É, na verdade, um resultado do próprio espaço-tempo em expansão. Como o universo está geralmente se expandindo, observar o turno azul em grande escala é raro.
Os três tipos de turno vermelho
Pelo menos três tipos diferentes de turno vermelho foram observados em nosso universo.
Você deve estar se perguntando: por que o turno azul é menos significativo? A razão é que o universo está se expandindo. Assim, o comprimento de onda da luz que atinge os observadores é mais longo e é, portanto, turno vermelho. Dito isto, o turno azul, sem dúvida, ocorre em alguns casos particulares.
O turno vermelho do tipo I resulta do movimento das galáxias em relação às galáxias vizinhas. Por exemplo, a nossa Via Láctea está em rota de colisão com a galáxia de Andrômeda, relativamente próxima; a diminuição resultante no comprimento de onda de Andrômeda de nossa perspectiva, à medida que as galáxias se aproximam, é coloquialmente conhecida como turno azul. Ao mesmo tempo, uma galáxia se afastando da nossa mostrará um turno vermelho.
O tipo II é a forma mais comum de turno vermelho e é observado devido à expansão do espaço entre dois corpos estacionários. Os corpos, embora não em movimento, experimentam um aumento no comprimento de onda da luz que entra.
O mais sutil de todas as variedades turno vermelho é o Tipo III, turno vermelho gravitacional. Como as forças gravitacionais de corpos massivos fazem com que a luz se dobre, mesmo que levemente, ela distorce a trajetória da luz que chega, causando uma mudança no comprimento de onda da luz recebida e observada. A verificação do efeito da gravidade na luz também ajudou a validar a teoria da relatividade geral de Einstein.
Um exemplo clássico de turno vermelho gravitacional foi observado na Terra. Considere que você está brilhando uma tocha até uma torre e medindo seu comprimento de onda quando é recebido e quando é emitido. Você descobrirá que o comprimento de onda aumentou, porque o campo gravitacional da Terra fica mais forte quanto mais próximo você estiver de sua superfície. Isso faz com que o tempo passe mais devagar – ou seja, “esticado” – mais próximo da superfície, o que afeta a freqüência e o comprimento de onda da luz.
(Os 3 tipos de turno azul observados no nosso universo)
Descobrindo planetas extra-solares
Os astrônomos usam turno vermelho e turno azul para detectar planetas extra-solares através de algo conhecido como método de velocidade radial.
Essa técnica usa o fato de que, se uma estrela tem um planeta (ou planetas) ao seu redor, não é estritamente verdadeiro que o planeta esteja orbitando a estrela. Em vez disso, o planeta e a estrela orbitam seu centro de massa comum, já que a estrela é muito mais massiva que seus planetas. O centro de massa está dentro da estrela, então a estrela parece balançar levemente enquanto o planeta viaja ao redor dela. Os astrônomos podem medir essa oscilação usando espectroscopia.
Considere uma estrela viajando em nossa direção; sua luz parecerá turno azul, e se estiver viajando longe, a luz será turno vermelho. Essa mudança de cor não vai mudar a cor aparente da estrela o suficiente para ser vista a olho nu. Em vez disso, a espectroscopia pode ser usada para detectar essa mudança de cor de uma estrela à medida que ela se move em relação a nós, orbitando o centro de massa do sistema planeta-estrela.
(Uma impressão de artistas de estrelas binárias (esquerda); fazendo observações em uma noite clara e estrelada (direita)) (Crédito da Foto: Wikimedia Commons & Flickr)
De maneira mais geral, os astrônomos usam turno vermelho e turno azul para estudar objetos em movimento, como estrelas binárias orbitando umas às outras, a rotação de galáxias, o movimento de galáxias em aglomerados e até mesmo o movimento de estrelas dentro de nossa galáxia. Assim, mapeando os movimentos desses corpos, os astrônomos conseguiram abranger uma quantidade incomum do “universo conhecido”.
Conclusão
Pode parecer chocante que o homem mais distante tenha viajado no espaço é o lado escuro da lua, particularmente porque é evidente como os humanos são inteligentes e econômicos. No entanto, apesar de ainda estar tecnologicamente atrasado, os seres humanos têm um forte desejo de explorar o desconhecido. Conseguimos encontrar uma maneira de observar o mais distante estouro de raios gama de uma estrela explosiva há 13,4 bilhões de anos, aprender sobre a galáxia mais distante ( GN-z11) em nosso universo observável, e fizemos tudo isso sem pisar um único pé no espaço.
Os pesquisadores estão continuamente debatendo idéias para criar e explorar novos métodos de exploração espacial e mapear nosso universo para as medições mais precisas. Tudo isso é possível apenas por causa de nossa compreensão da natureza da luz. Nosso conhecimento do universo é baseado principalmente em teorias e dados estatísticos. Portanto, foi um avanço significativo, no campo da exploração cosmológica, quando o efeito Doppler abriu o caminho para a ideia de turno vermelho.
Hoje, temos espectroscopia para agradecer por tudo que sabemos sobre nosso universo. Teria sido impossível para os astrônomos observar galáxias distantes ou eventos cosmológicos, e muito menos fazer medições precisas se o fenômeno do efeito Doppler permanecesse desconhecido para a humanidade!