¿Cómo supo Hubble la diferencia de corrimiento hacia el rojo entre "alejándose" y "viejo"?

Las medidas de "corrimiento al rojo" que Hubble usó para determinar su ley se basan en observar el espectro de galaxias distantes. Es decir, descomponiendo la luz procedente del objeto en sus colores constituyentes (por ejemplo, haciéndola pasar por un prisma). Si observa dicho espectro, notará que faltan ciertas líneas (colores). Estas son las llamadas líneas de absorción y corresponden a las propiedades físicas de átomos específicos en el objeto. La ubicación de estas líneas está determinada por la física y son universales; son los mismos para todos los objetos.

Sin embargo, si observa el espectro de un objeto distante, encontrará que todas estas líneas se desplazan un poco hacia el rojo. Al comparar las líneas de absorción de los gases en la Tierra, podemos establecer cuánto se desplazan las líneas, el llamado "desplazamiento al rojo".

Esto es muy diferente al enrojecimiento de las estrellas más viejas. A medida que las estrellas envejecen, se enfrían, lo que significa que la luz que emiten tiene más luz roja (en comparación con un fuego que arde de color amarillo brillante cuando hace calor y de un rojo más oscuro cuando se enfría). Este cambio afecta la distribución general de la luz emitida, pero, lo que es más importante, no afecta las líneas de absorción, que permanecen en el mismo lugar (color).

Para mostrar esto, aquí hay dos espectros de las notas de revisión de la BBC para los exámenes realizados a los 16 años .

Espectro del Sol:

Espectro de una galaxia lejana:

Puede ver que las líneas en este último se han desplazado hacia el extremo rojo.

Descargo de responsabilidad: no soy astrónomo ni físico. Acepto cualquier corrección o aclaración.

color estrella

La luz de las estrellas y las galaxias tiene un color. Para las estrellas que están lo suficientemente cerca y lo suficientemente brillantes, puedes ver su color con tus ojos simplemente mirando hacia arriba en una noche despejada ¹ . Las galaxias son lo suficientemente tenues como para parecer grises a nuestros ojos, incluso cuando las miramos a través de un telescopio. Pero si usa una cámara y configura la exposición lo suficiente, la cámara también capturará el color de las galaxias.

Este es el color del que hablamos cuando decimos que a medida que las estrellas envejecen, se vuelven más rojas. Es el color que vemos con nuestros ojos.

Corrimiento al rojo

La luz es una onda ² y está sujeta al efecto Doppler al igual que el sonido. Piense en el sonido de un automóvil que pasa zumbando a su lado. El tono de su motor comienza alto y luego cae bajo. Comienza alto porque las ondas de sonido se comprimen a medida que el automóvil se mueve hacia usted. A medida que pasa, escuchas que se desplaza más abajo. El automóvil ahora se está alejando de usted, por lo que las ondas de sonido se están extendiendo.

La luz también tiene una longitud de onda. La longitud de onda de la luz es su color. Cuando algo que se mueve hacia ti emite luz, su longitud de onda se comprime, cambiando el color hacia la dirección más azul del espectro desde donde comenzó. Cuando algo que se aleja de ti emite luz, su longitud de onda se estira, cambiando el color más rojo.

Esto es lo que son el corrimiento al rojo y el corrimiento al azul.

Color de estrella frente a corrimiento al rojo: cómo diferenciarlos

¿Cómo podemos saber si el color de una estrella proviene de la estrella misma o simplemente se ha desplazado hacia el rojo porque se está alejando de nosotros?

Para responder a esta pregunta, debemos hacer una búsqueda secundaria y hablar sobre las líneas espectrales.

¿Cómo sabemos de qué están hechas las estrellas?

Sabemos que las estrellas están compuestas principalmente de hidrógeno y helio, además de cantidades más pequeñas de otros elementos. Pero, ¿cómo sabemos esto?

Cuando pasas luz blanca a través de un prisma, la luz que entra se dobla un poco, se refracta , y la luz que sale se divide en un arco iris. El arco iris de luz que sale de un prisma se llama espectro .

Resulta que cuando calientas los átomos, brillan ³ . Cada elemento , cada tipo único de átomo, brilla con un color de luz específico. Si calienta sodio o cualquier otro elemento a una temperatura suficiente para que brille, y luego pasa esa luz a través de un prisma, el espectro que sale NO es un arcoíris completo. En cambio, son solo rebanadas del arcoíris tan delgadas que parecen líneas, a las que llamamos líneas espectrales . Es importante destacar que cada elemento produce un conjunto único de líneas distinto de todos los demás elementos. El mismo elemento siempre produce las mismas líneas. Se ven así:

Recapitulemos lo que sabemos hasta ahora.

1. Los átomos emiten luz cuando se calientan.
2. Podemos separar la luz en su espectro utilizando un espectrómetro (la versión de instrumento científico de un prisma ⁴ ).
3. Podemos usar ese espectro para identificar qué elementos están presentes en la estrella.

¡Así que ahora tenemos todas las herramientas para descubrir de qué están hechas las estrellas! Simplemente pase la luz de una estrella a través de un espectrómetro y use el espectro resultante para ver qué elementos están presentes en función de las líneas espectrales producidas ⁵ .

Listo, ¿eh?

atarlo todo junto

Ahora sabemos lo suficiente para entender cómo los astrónomos pueden distinguir la diferencia entre el color de una estrella o galaxia y su corrimiento al rojo.

1. Sabemos que las líneas espectrales presentes en el espectro de una estrella corresponden a los elementos presentes en la estrella.
2. Si la estrella se está alejando de nosotros, las líneas espectrales se desplazarán hacia el rojo en una cantidad correspondiente a la rapidez con la que se aleja la estrella.
3. Pero las líneas espectrales seguirán apareciendo en un patrón reconocible: el ancho de las líneas y la distancia entre ellas seguirán correspondiendo a los elementos que estén presentes en la estrella. Simplemente se desplazan uniformemente hacia un color más rojo que las líneas espectrales normalmente producidas por esos elementos.
4. Podemos identificar la composición de la estrella a partir del patrón en las líneas espectrales.
5. Podemos identificar la dirección y la velocidad con la que se acerca o se aleja de nosotros a partir del desplazamiento hacia el azul o hacia el rojo de las líneas espectrales. Es decir, qué tan lejos están las líneas de donde deberían estar basadas en la composición del #4.
6. Podemos identificar el verdadero color de la estrella ⁶ compensando el corrimiento al rojo o al azul.

¹ A primera vista, todas las estrellas parecen blancas, pero cuando miras un poco más de cerca, notarás que son ligeramente rojas, azules, amarillas, anaranjadas y blancas. ¡Una vez que lo ves, es difícil no verlo!

² La luz también es una partícula. La luz es extraña y fantásticamente complicada.

³ Es aún más genial que eso, en realidad. ¡ Todo brilla, todo el tiempo ! Se llama radiación térmica . El "color" o la longitud de onda de la luz que emite la cosa depende de su temperatura. ¡Incluso las personas brillan! Así funcionan las cámaras de visión nocturna. Pueden ver la luz infrarroja que emites. La única forma de no brillar es tener una temperatura de −273,15 °C, que es 0 K, conocida como cero absoluto .

⁴ De manera más general, puede dividir la luz en su espectro utilizando un espectrómetro. Un prisma es para un espectrómetro lo que una lente es para una cámara. Técnicamente, los espectrómetros usan una rejilla de difracción en lugar de un prisma. Un prisma divide la luz en sus colores constituyentes porque es un tipo de rejilla de difracción.

⁵ Me estoy saltando algunos detalles como la diferencia entre los espectros de emisión y los espectros de absorción , pero en general no importa a los efectos de esta discusión. Mi ejemplo muestra un espectro de emisión, pero la respuesta de mmeent muestra un espectro de absorción, que creo que es lo que los astrónomos realmente usarían al mirar estrellas y galaxias. Lo menciono principalmente para explicar por qué los dos ejemplos parecen versiones invertidas el uno del otro.

⁶ De hecho, rara vez necesitamos hacer esto. Tener la composición nos dice mucho más sobre la estrella que su color por sí solo. Pero, en principio, también tenemos suficiente información para saber su verdadero color.

En pequeña escala, algunas estrellas se desplazan hacia el rojo y otras se desplazan hacia el azul. Sin embargo, a medida que observamos escalas más grandes, hay una tendencia general a medida que las estrellas se alejan más y más de nosotros para que se desplacen hacia el rojo cada vez más, y en cantidades más altas. Esto es consistente con una expansión del universo, pero es difícil de explicar en términos de temperatura; ¿Por qué las estrellas más alejadas de nosotros serían más frías? La expansión del universo es isotrópica, lo que significa que se ve igual desde todos los puntos; vemos otra galaxia alejándose de nosotros y desplazada hacia el rojo, pero esa galaxia nos ve a nosotros alejándonos de ellos y nos mide como desplazados hacia el rojo. Un gradiente de temperatura sería anisotrópico; todos los observadores del universo estarían de acuerdo en que la Tierra se encuentra en alguna zona especial de alta temperatura.

Otras galaxias que tienen temperaturas más bajas tampoco coincidirían con lo que sabemos sobre astronomía. Los diferentes cuerpos astronómicos tienden a estar en diferentes rangos de temperatura. Si las estrellas que están lejos de nosotros fueran más frías, estarían fuera de los rangos normales de temperatura de las estrellas. Además, los cuerpos astronómicos no emiten luz en una sola frecuencia, emiten un espectro completo. Estos espectros muestran patrones particulares, como amplitud más baja en frecuencias particulares. El término "desplazamiento hacia el rojo" se refiere a cómo se desplaza todo este espectro: tiene el mismo patrón, solo que en diferentes lugares. Suponga que escucha a dos músicos y escucha una nota de cada músico. Si esas notas suenan diferentes, no podrá saber si se debe a que tocaron notas diferentes o se están moviendo a velocidades diferentes. Pero si ambos tocan una canción completa, será fácil saber si es o no la misma canción. Una estrella que se aleja de nosotros explica por qué tiene el mismo "canto", pero en un "tono" diferente. Una estrella que está a una temperatura diferente no lo explica.