O Efeito Doppler e Sua Utilização na Medição da Idade do Universo

O efeito Doppler

O efeito Doppler é um fenômeno bem conhecido que ocorre quando há uma mudança na frequência (ou comprimento de onda) de uma onda, como som ou luz, devido ao movimento relativo entre a fonte da onda e o observador. Esse efeito é frequentemente experimentado no som — por exemplo, ao ouvir uma ambulância se aproximando e depois se afastando, a frequência do som que chega aos seus ouvidos parece aumentar quando ela está se aproximando (tom mais agudo) e diminuir quando está se afastando (tom mais grave).

Quando falamos de efeito Doppler cosmológico, estamos lidando com a radiação eletromagnética (principalmente luz) que chega até nós de objetos muito distantes no universo, como estrelas e galáxias. No contexto cosmológico, esse efeito tem um papel importante na forma como medimos a expansão do universo. Vou detalhar como isso acontece e como a observação do desvio para o vermelho (redshift) está diretamente relacionado a isso.

1. Efeito Doppler cosmológico:

O efeito Doppler cosmológico refere-se à mudança no comprimento de onda da luz ou radiação emitida por objetos distantes, que são causados pelo movimento de recessão das galáxias à medida que o universo se expande. Ao invés de ser um simples movimento relativo como no efeito Doppler clássico, a expansão do universo faz com que as galáxias se afastem umas das outras. Esse afastamento não é devido a uma velocidade no espaço, mas sim porque o próprio espaço está se expandindo.

Como isso acontece:

• Quando uma galáxia se afasta de nós, as ondas de luz que ela emite são esticadas à medida que o espaço entre nós e a galáxia aumenta. Esse estiramento das ondas de luz faz com que o comprimento de onda da luz se alongue, movendo-se para a extrema vermelha do espectro, ou seja, em direção ao "desvio para o vermelho". Isso é o que chamamos de desvio para o vermelho cosmológico.

• Se uma galáxia estiver se aproximando, o efeito seria o oposto, ou seja, a luz seria comprimida, movendo-se para a extrema azul do espectro (o que é chamado de desvio para o azul), mas isso é muito menos comum no universo em grande escala, pois as galáxias estão majoritariamente se afastando umas das outras.

2. Desvio para o vermelho (Redshift)

O desvio para o vermelho cosmológico é uma das ferramentas mais importantes que os cientistas usam para medir a expansão do universo. O redshift (denotado como z) é uma medida quantitativa dessa mudança no comprimento de onda da luz. Quanto maior o desvio para o vermelho, maior o afastamento de uma galáxia. Essa técnica fornece informações cruciais sobre a taxa de expansão do universo, também conhecida como lei de Hubble.

Como o desvio para o vermelho é medido:

O desvio para o vermelho (z) é calculado a partir da mudança no comprimento de onda da luz que chega até nós. A fórmula básica para calcular o redshift é:

Onde:

• λobservada é o comprimento de onda da luz que observamos (o valor da luz após ela ter sido esticada pela expansão do espaço).

• λemissão​ é o comprimento de onda da luz quando ela foi emitida pela galáxia.

Para medir o desvio para o vermelho de uma galáxia, os cientistas examinam o espectro da luz que chega até nós. O espectro da luz de uma galáxia contém muitas linhas espectrais bem definidas, que correspondem a transições de energia dos átomos presentes na galáxia. Estas linhas espectrais são como "impressões digitais" da luz emitida pela galáxia. Se essas linhas espectrais estiverem deslocadas para o vermelho, isso indica que a galáxia está se afastando de nós.

Exemplo de como o desvio para o vermelho é usado:

• Se a luz de uma galáxia tem um desvio para o vermelho de z=0,1, isso significa que o comprimento de onda da luz foi esticado em 10% devido à expansão do espaço desde que a luz foi emitida. Essa informação pode ser usada para calcular a velocidade de recessão da galáxia com base na lei de Hubble.

3. Como o desvio para o vermelho nos ajuda a medir a expansão do universo

A descoberta de que as galáxias estão se afastando umas das outras foi uma das maiores descobertas do século XX e foi a base para a compreensão de que o universo está em expansão. Em 1929, o astrônomo Edwin Hubble observou que, quanto mais distante uma galáxia, maior o seu desvio para o vermelho. Essa observação levou à formulação da lei de Hubble, que afirma que a velocidade com que uma galáxia se afasta de nós é proporcional à sua distância.

A lei de Hubble pode ser expressa da seguinte forma:

v = Ho × d

Onde:

• v é a velocidade de recessão da galáxia (como medida pelo desvio para o vermelho).

• d é a distância da galáxia.

• Ho​ é a constante de Hubble, que descreve a taxa de expansão do universo.

Essa relação nos permite determinar quanto o universo está se expandindo em qualquer momento no tempo e é fundamental para entender a evolução do universo desde o Big Bang. O valor da constante de Hubble (H0H_0H0​) é uma das questões mais estudadas na cosmologia, pois ele nos dá a idade do universo e nos permite modelar o futuro da expansão.

4. Expansão do universo e aceleração cósmica

Nos últimos anos, observações do desvio para o vermelho de galáxias distantes também levaram à descoberta de que a expansão do universo não está desacelerando, como se pensava inicialmente, mas sim acelerando. Isso foi uma descoberta surpreendente, anunciada em 1998, baseada na observação do desvio para o vermelho de supernovas distantes. A aceleração da expansão é atribuída à energia escura, uma misteriosa forma de energia que compõe cerca de 68% do conteúdo do universo e está impulsionando sua aceleração.

5. Conclusão

O efeito Doppler cosmológico e o desvio para o vermelho são ferramentas essenciais para os cientistas estudarem a expansão do universo. Observando como a luz de galáxias distantes é esticada para comprimentos de onda maiores (para o vermelho), os astrônomos podem calcular a velocidade com que essas galáxias estão se afastando e, assim, determinar a taxa de expansão do universo. Essa informação não só ajuda a compreender a história do cosmos, mas também fornece pistas importantes sobre o futuro do universo, incluindo a misteriosa aceleração da expansão e o papel da energia escura.