Una respuesta complementaria a la de Chris, la fila del medio es el espectro en reposo.

Un cambio azul no significa que el objeto termine siendo azul. Simplemente significa que todo el espectro se desplaza hacia arriba en frecuencia. Tenga en cuenta que este es un diagrama esquemático y no datos reales.

Cuando una estrella emite luz, el color de su luz como se observa en la tierra depende de su movimiento relativo a la tierra. Si una estrella se mueve hacia la Tierra, su luz se desplaza a frecuencias más altas en el espectro de color (hacia el extremo verde/azul/violeta/ultravioleta/rayos X/rayos gamma del espectro). Un cambio de frecuencia más alto se llama "cambio azul". Cuanto más rápido se mueve una estrella hacia la Tierra, más se desplaza su luz a frecuencias más altas. Por el contrario, si una estrella se aleja de la Tierra, su luz se desplaza a frecuencias más bajas en el espectro de color (hacia el extremo naranja/rojo/infrarrojo/microondas/radio del espectro). Un desplazamiento de frecuencia inferior se denomina "desplazamiento al rojo".

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Son las ubicaciones fijas de las líneas de absorción en el espectro las que permiten identificar el elemento que absorbe esas líneas. Solo un cambio los superpone.

Hay ciertos procesos físicos que siempre producen una luz de la misma longitud de onda. Por ejemplo, el hidrógeno que cambia de la$n=2$al estado fundamental siempre emite un fotón con una energía de$10.2~\rm eV$, correspondiente a la luz con una longitud de onda de$122~\rm nm$.

Hay muchos procesos como este, que forman "líneas espectrales" que deberían ser las mismas en todas partes del universo. Entonces, si vemos un objeto estelar con las mismas líneas espectrales, pero todas desplazadas en la misma cantidad, podemos determinar razonablemente que la luz está desplazada hacia el rojo.

Redshifts en realidad no significa que la luz sea roja, o que alguna vez haya sido roja. Eso es lo que te está confundiendo.

"Rojo" y "azul" en este contexto son formas abreviadas de decir "hacia longitudes de onda más largas/energías más bajas" (rojo) y "hacia longitudes de onda más cortas/energías más altas" (azul), porque en el espectro de luz visible, el rojo está en el extremo de baja energía de lo que podemos ver, y azul en el extremo de alta energía. En términos simples, la luz, la radio, las ondas gamma (cualquier radiación electromagnética) de una fuente que está "desplazada hacia el rojo" es una forma de decir que la recibimos (por nosotros) con una energía más baja de la que "realmente" fue emitida. (suponiendo un marco de referencia adecuado).

Pero podría ser cualquier radiación. Así que "desplazado hacia el rojo" podría describir:

• rayos gamma emitidos por una galaxia distante que detectamos como rayos x,
• luz visible amarillenta/blanca de una estrella como nuestro sol que un observador extragaláctico detecta como visible pero más teñida de naranja debido a su velocidad,
• luz ultravioleta percibida como luz azul visible
• rayos infrarrojos percibidos como ondas de radio

siempre que la explicación se base en la velocidad relativa del emisor y el observador, el efecto de la gravedad o la expansión del espacio (que en realidad "estiran" o "comprimen" la longitud de onda de cada fotón), y no debido a factores como como filtrado de la luz, que acaba polarizando los fotones recibidos.

El mismo tipo de declaraciones, pero invertidas, son ciertas para la luz azul desplazada (la luz naranja se ve como amarilla/blanca, los rayos X se reciben como rayos gamma, etc.)

Importancia

Muchos tipos de luz que vemos en el universo están muy bien definidos. Por ejemplo, sabemos exactamente qué frecuencias de luz, el hidrógeno excitado puede emitir cuando pierde energía. También sabemos exactamente qué frecuencias pueden absorber las nubes de gas de hidrógeno a medida que la luz viaja a través de ellas (por lo que esa frecuencia específica "falta" cuando la vemos). [¡Son lo mismo!]

Las frecuencias relacionadas con cada fuente suelen aparecer como un patrón de frecuencias muy específicas, o una distribución de frecuencias, no solo una frecuencia. Estos patrones de frecuencias son diferentes para cada elemento y actúan como una "huella digital". En términos simples, es posible observar un patrón de frecuencias (a menudo dibujado como " líneas espectrales ")." en forma gráfica), y asegúrese de qué líneas representan qué elemento. Es tan específico que a menudo incluso podemos identificar la interacción exacta que dio lugar a la radiación (las interacciones específicas generalmente tienen energías bien conocidas para los fotones que producen). Sabiendo esto, podemos estar seguros de cuáles habrían sido "realmente" las frecuencias originales para esa interacción o elemento. La diferencia entre eso y la frecuencia que realmente detectamos es el cambio hacia el rojo o hacia el azul que ha experimentado la radiación.

Entonces, un cosmólogo puede saber a partir de los espectros que detecta qué frecuencias originales se emitieron, y también puede estar absolutamente seguro de si la luz o la radio u otras ondas que detecta siempre fueron de esa frecuencia, o si se emitieron originalmente a una frecuencia diferente pero ha sido el rojo o el azul se desplazaron en cierta cantidad (= recibidos a una frecuencia más baja o más alta), y que esto se debe a sus altas velocidades relativas.

(La otra causa posible es el corrimiento al rojo gravitacional, consulte la siguiente sección)

Causas

En términos astronómicos, la causa más común, con mucho, del desplazamiento hacia el rojo/azul es la velocidad relativa de un objeto hacia o desde la Tierra. En este caso, el desplazamiento rojo/azul se debe en última instancia a la relatividad especial .(el movimiento de objetos en relación con un observador en el espacio-tiempo). Ya sea en nuestra propia galaxia o en cualquier otro lugar, la mayoría de los objetos en el espacio se acercan o se alejan de nosotros. En una escala cósmica, la expansión del universo significa que casi todo lo que está fuera de nuestro propio supercúmulo galáctico se está alejando de nosotros a gran velocidad, y cuanto más lejos, más rápido se recibe. La luz y otras radiaciones recibidas de objetos muy antiguos, que han estado viajando durante miles de millones de años, también se desplazarán hacia el rojo, porque esa radiación se habrá visto afectada por la expansión del espacio a lo largo del tiempo, por lo que, en una escala cósmica muy grande, el desplazamiento hacia el rojo está relacionado al tiempo/edad/hace años y la distancia , así como la velocidad , conocida como la Ley de Hubble. Ya sea que la velocidad se deba a la expansión del espacio o al propio movimiento del objeto dentro del espacio, se producirá un desplazamiento hacia el rojo/azul.

La otra causa conocida del desplazamiento hacia el rojo es el efecto de la extrema gravedad, conocido como "desplazamiento hacia el rojo gravitacional". En este caso, la explicación definitiva es la relatividad general (el efecto de la masa y la gravedad en el espacio-tiempo). Por ejemplo, la radiación emitida muy cerca de un objeto masivo como un agujero negro, o tal vez al pasar un objeto muy masivo en su viaje hacia nosotros, podría desplazarse hacia el rojo debido a la gravedad. (En teoría, también podría funcionar al revés: un observador que de alguna manera pudiera flotar justo en la vecindad de un agujero negro podría ver otros objetos como desplazados hacia el azul, pero en la práctica esta es una perspectiva que nunca vemos en la Tierra).

Históricamente, durante un tiempo, esta "causa dual" generó cierta confusión, porque en los primeros días de la radioastronomía, los astrónomos no siempre estaban seguros de si estaban viendo un objeto muy distante o que se movía rápidamente, o un objeto cercano afectado por la gravedad. . Sin embargo, en estos días los astrónomos suelen estar muy seguros de lo que están mirando.

Ejemplo

Supongamos que tratamos de usar este conocimiento. En lugar de decir simplemente que detectamos ondas de radio de algunas frecuencias de una fuente, podemos decir (por ejemplo) que lo que detectamos coincide con las emisiones de hidrógeno, con algo de carbono, y que las líneas de hidrógeno se corrieron al rojo en una cantidad X pero el espectro de carbono se desplazó hacia el azul en una cantidad Y. Por lo tanto, concluimos que en realidad estamos mirando 2 objetos, probablemente uno que contiene carbono que viaja hacia nosotros a cierta velocidad, uno que contiene hidrógeno que se aleja de nosotros a cierta velocidad. Quizás una fuente está casi detrás de la otra, o es un sistema estelar binario. A partir de las velocidades y la cantidad de desplazamiento rojo/azul, podemos decidir las distancias (son fuente en nuestra galaxia o cúmulo local, o están a miles de millones de años luz de distancia), y mucho más.

Si están en un sistema binario, podemos esperar ver que sus desplazamientos al rojo/azul cambien periódicamente a medida que cada uno de ellos se mueve más hacia nosotros y luego más lejos. A partir de sus emisiones podemos calcular qué tipo de estrellas son y, por lo tanto, su masa probable/estimada (¡estoy simplificando mucho!). A partir del tiempo que tardan en subir y bajar en el cambio rojo/azul, podemos calcular cuánto tardan en orbitar, y sus masas relativas, distancias entre sí, etc. Y así sucesivamente.

Como segundo ejemplo (¡simplificado!), podemos medir los espectros de las estrellas en el centro de nuestra galaxia. Si graficamos a lo largo del tiempo, las posiciones de la estrella frente a la cantidad de desplazamiento de su luz hacia el rojo o el azul, encontramos que periódicamente experimentan cambios en el desplazamiento: se desplazan más hacia el rojo y luego hacia el azul. Eso dice que su velocidad relativa a nosotros se vuelve más y más pequeña. Conclusión: las estrellas en el centro de nuestra galaxia están todas orbitando algo. La cantidad de desplazamiento y distancia, y un poco de trabajo de computadora, nos permite calcular qué tan "apretadas" son todas sus órbitas. Entonces podemos calcular la masa de lo que sea que estén orbitando. Podemos descubrir que el objeto tiene una masa enorme. Pero también conocemos el tamaño de las órbitas más pequeñas de estas estrellas. Cualquiera que sea el objeto, que están orbitando, tiene que ser más pequeño que la órbita de las estrellas, de lo contrario, las estrellas perderían energía rápidamente y entrarían en espiral/se fusionarían. Cuando apunta un telescopio allí, no ve ningún objeto de masa gigante, pero sabemos que hay uno allí. Resulta que para que quepa esa cantidad de masa en ese tamaño de espacio, tendrías que tener un agujero negro. Nada más lo haría. Y esa es una forma en que podemos estar seguros de que hay un gran agujero negro en el centro de nuestra galaxia (y muchas otras), y calcular su masa. ¡Todo a partir de mediciones estelares de desplazamiento al rojo/azul! sa gran agujero negro en el centro de nuestra galaxia (y muchas otras), y calcula su masa. ¡Todo a partir de mediciones estelares de desplazamiento al rojo/azul! sa gran agujero negro en el centro de nuestra galaxia (y muchas otras), y calcula su masa. ¡Todo a partir de mediciones estelares de desplazamiento al rojo/azul!

Actualización: la ley de Hubble de la luz desplazada hacia el rojo y la expansión del universo

Volviendo al OP, la pregunta se refiere específicamente a la luz desplazada hacia el rojo y "decidir que el universo se estaba expandiendo". Así que intentaré una explicación rápida (¡esta es una pregunta en sí misma!).

Hace unos cien años, Hubble formuló su ley (más exactamente, una regla general) que decía que la luz de las galaxias distantes se desplazaba hacia el rojo, y cuanto más distante la galaxia, más se desplazaba hacia el rojo la luz. Donde las galaxias estaban lo suficientemente cerca para ser medidas directamente, resultaron estar alejándose de la Tierra.

Ahora, esto podría haber significado que todos viajaban hacia afuera a velocidades extremas desde algún centro común, pero podría tener muchos otros significados: una teoría sugería que la materia se creaba continuamente para reemplazarla (la tasa habría sido muy pequeña).

Entonces, aunque se conceptualizó el Big Bang, en realidad no había mucha evidencia y solo varias décadas después se encontraron otras evidencias abrumadoras (radioastronomía, modelo estándar, modelado cosmológico, ciclos de vida estelar, expansión del espacio, procesos de fusión y una miríada de otros). descubrimientos) gradualmente terminaron apoyando la teoría del Big Bang.

Ahora estamos extremadamente seguros, a partir de muchos tipos diferentes de observación y conocimiento, de que la luz de galaxias distantes se desplaza hacia el rojo a frecuencias más bajas debido a la expansión del espacio, y el Fondo Cósmico de Microondas puede detectarse e identificarse como una forma de luz extremadamente desplazada hacia el rojo desde átomos de hidrógeno excitados emitidos en los albores de nuestro universo, cuando tenía unos 370.000 años.

Pero es importante recordar que no fue inmediatamente obvio ni aceptado por muchos astrónomos durante varias décadas, que la luz desplazada hacia el rojo significaba que nuestro universo conocido tenía que estar expandiéndose, o comenzó en un punto específico en el tiempo. La gente no saltó ante esa conclusión. Tenían desplazamientos al rojo extremos, eso era innegable, pero ¿qué significaban? Ni siquiera estaba claro cómo podría expandirse un universo, si lo hizo, o qué podría conducir a una expansión, si eso era lo que se estaba viendo. Así que hubo muchas preguntas y dudas insatisfactorias. Al igual que con gran parte de la ciencia, las observaciones reales fueron lo primero. Obtener una comprensión de ellos, y lo que significaban, y probar teorías que podrían explicar un universo con esas observaciones, tomó muchos años después de ese tiempo.

Sin embargo, una vez que las ideas cosmológicas modernas del Big Bang comenzaron a tomarse en serio como teoría, la evidencia detallada obtenida a través de la radiación desplazada hacia el rojo se convirtió en evidencia crucial para ambas ideas y para gran parte de la cosmología moderna.

Las otras respuestas (a partir de esta publicación) se adhieren principalmente a "luz" ... pero los mismos conceptos existen en otras formas de "ondas"

Desplazamientos rojo/azul y "efectos Doppler" asociados

Quiero agregar ideas asociadas que, literalmente, puedes escuchar: sirenas y bocinas de tren.

La idea básica de los "cambios" es que las ondas que ves, escuchas y experimentas cambian en función de cómo se generan en relación contigo.

Algo se ve/suena/se siente diferente si se acerca a ti... frente a cuando se aleja de ti. Eso es porque experimentas "ondas" más cortas o más largas.

https://www.space.com/25732-redshift-blueshift.html

Redshift y blueshift describen cómo la luz se desplaza hacia longitudes de onda más cortas o más largas a medida que los objetos en el espacio (como estrellas o galaxias) se acercan o se alejan de nosotros. El concepto es clave para trazar la expansión del universo.

La luz visible es un espectro de colores, que es claro para cualquiera que haya mirado un arcoíris. Cuando un objeto se aleja de nosotros, la luz se desplaza hacia el extremo rojo del espectro, ya que sus longitudes de onda se hacen más largas. Si un objeto se acerca, la luz se mueve hacia el extremo azul del espectro, ya que sus longitudes de onda se acortan.

Para pensar en esto con más claridad, sugiere la Agencia Espacial Europea, imagínese escuchando la sirena de la policía mientras el automóvil pasa a toda velocidad por la carretera.

"Todo el mundo ha oído el aumento del tono de una sirena de policía que se acerca y la fuerte disminución del tono cuando la sirena pasa y se aleja. El efecto surge porque las ondas de sonido llegan al oído del oyente más juntas cuando la fuente se acerca y más separadas cuando se acerca". retrocede", escribió la ESA.

Los "cambios rojo/azul" son los mismos efectos básicos que se experimentan cuando escuchas una diferencia entre algo que se acerca y se aleja. Ese cambio es perceptible, y medible, y la "onda" esperada frente a la "onda" detectada es información valiosa.