O espectro de luz visível.
(Imagem: © NASA.)
O desvio para o vermelho e o desvio para o azul descrevem como a luz muda para comprimentos de onda mais curtos ou mais longos, à medida que objetos no espaço (como estrelas ou galáxias) se aproximam ou se afastam de nós. O conceito é a chave para traçar a expansão do universo.
A luz visível é um espectro de cores, claro para quem já olhou para um arco-íris. Quando um objeto se afasta de nós, a luz é deslocada para a extremidade vermelha do espectro, à medida que seus comprimentos de onda ficam mais longos. Se um objeto se aproxima, a luz se move para o extremo azul do espectro, à medida que seus comprimentos de onda ficam mais curtos.
Para pensar mais claramente, sugere a Agência Espacial Européia, imagine-se ouvindo uma sirene de polícia enquanto o carro passa correndo por você na estrada.
"Todos ouviram o aumento do tom de uma sirene de polícia que se aproximava e a queda acentuada do tom à medida que a sirene passa e recua. O efeito surge porque as ondas sonoras chegam ao ouvido do ouvinte mais próximo quando a fonte se aproxima e mais distante à medida que a fonte se aproxima. recua ", escreveu a ESA.
Som e luz
Este efeito sonoro foi descrito pela primeira vez por Christian Andreas Doppler nos anos 1800 e é chamado efeito Doppler. Como a luz emana também dos comprimentos de onda, isso significa que os comprimentos de onda podem se esticar ou triturar juntos, dependendo da posição relativa dos objetos. Dito isto, não percebemos isso na escala diária, porque a luz viaja muito mais rápido que a velocidade do som - um milhão de vezes mais rápido, observou a ESA.
O astrônomo americano Edwin Hubble (que recebeu o nome do Telescópio Espacial Hubble) foi o primeiro a descrever o fenômeno do desvio para o vermelho e ligá-lo a um universo em expansão. Suas observações, reveladas em 1929, mostraram que quase todas as galáxias que ele observou estão se afastando, disse a NASA.
"Esse fenômeno foi observado como um desvio para o vermelho do espectro de uma galáxia", escreveu a NASA. "Esse desvio para o vermelho parecia maior para galáxias fracas, presumivelmente ainda mais. Portanto, quanto mais distante uma galáxia, mais rápido ela está se afastando da Terra".
As galáxias estão se afastando da Terra porque o próprio tecido do espaço está se expandindo. Enquanto as próprias galáxias estão em movimento - a Galáxia de Andrômeda e a Via Láctea, por exemplo, estão em rota de colisão - há um fenômeno geral de desvio para o vermelho acontecendo à medida que o universo cresce.
Os termos redshift e blueshift se aplicam a qualquer parte do espectro eletromagnético, incluindo ondas de rádio, infravermelho, ultravioleta, raios X e raios gama. Assim, se as ondas de rádio são deslocadas para a parte ultravioleta do espectro, elas são ditas deslocadas para o azul ou deslocadas para as frequências mais altas. Os raios gama deslocados para ondas de rádio significariam uma mudança para uma frequência mais baixa ou um desvio para o vermelho.
O desvio para o vermelho de um objeto é medido examinando as linhas de absorção ou emissão em seu espectro. Essas linhas são exclusivas para cada elemento e sempre têm o mesmo espaçamento. Quando um objeto no espaço se move em nossa direção ou para longe de nós, as linhas podem ser encontradas em diferentes comprimentos de onda do que onde estariam se o objeto não estivesse se movendo (em relação a nós). [Relacionado: Faça seu próprio espectroscópio]
Redshift é definido como a mudança no comprimento de onda da luz dividida pelo comprimento de onda que a luz teria se a fonte não estivesse se movendo - chamada de comprimento de onda restante:
Três tipos de desvio para o vermelho
Pelo menos três tipos de desvio para o vermelho ocorrem no universo - da expansão do universo, do movimento das galáxias entre si e do "desvio do vermelho gravitacional", que acontece quando a luz é deslocada devido à enorme quantidade de matéria dentro de uma galáxia.
Esse último desvio para o vermelho é o mais sutil dos três, mas em 2011 os cientistas conseguiram identificá-lo em uma escala de tamanho de universo. Os astrônomos fizeram uma análise estatística de um grande catálogo conhecido como Sloan Digital Sky Survey e descobriram que o desvio para o vermelho gravitacional acontece - exatamente de acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein. Este trabalho foi publicado em um artigo da Nature.
"Temos medições independentes das massas de aglomerados, para que possamos calcular qual é a expectativa de desvio para o vermelho gravitacional com base na relatividade geral", disse o astrofísico da Universidade de Copenhague Radek Wojtak na época. "Concorda exatamente com as medidas desse efeito".
A primeira detecção do desvio para o vermelho gravitacional ocorreu em 1959, depois que os cientistas detectaram que isso ocorria na luz de raios gama que emana de um laboratório da Terra. Anterior a 2011, também foi encontrada no sol e nas anãs brancas próximas, ou nas estrelas mortas que permanecem após as estrelas do tamanho do sol cessarem a fusão nuclear no final de suas vidas.
Usos notáveis do redshift
O desvio para o vermelho ajuda os astrônomos a comparar as distâncias de objetos distantes. Em 2011, os cientistas anunciaram ter visto o objeto mais distante já visto - uma explosão de raios gama chamada GRB 090429B, que emanava de uma estrela explosiva. Na época, os cientistas estimaram que a explosão ocorreu 13,14 bilhões de anos atrás. Em comparação, o Big Bang ocorreu 13,8 bilhões de anos atrás.
A galáxia mais distante conhecida é GN-z11. Em 2016, o Telescópio Espacial Hubble determinou que existia apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang. Os cientistas mediram o desvio para o vermelho do GN-z11 para ver quanto sua luz havia sido afetada pela expansão do universo. O desvio para o vermelho do GN-z11 foi 11,1, muito superior ao próximo desvio para o vermelho mais alto de 8,68, medido a partir da galáxia EGSY8p7.
Os cientistas podem usar o desvio para o vermelho para medir como o universo está estruturado em larga escala. Um exemplo disso é a Grande Muralha de Hércules-Corona Boreal; a luz leva cerca de 10 bilhões de anos para atravessar a estrutura. O Sloan Digital Sky Survey é um projeto em andamento do redshift que tenta medir o redshift de vários milhões de objetos. A primeira pesquisa de desvio para o vermelho foi a CfA RedShift Survey, que concluiu sua primeira coleta de dados em 1982.
Um campo emergente de pesquisa diz respeito a como extrair informações do desvio para o vermelho das ondas gravitacionais, que são distúrbios no espaço-tempo que acontecem quando um corpo maciço é acelerado ou perturbado. (Einstein sugeriu a existência de ondas gravitacionais pela primeira vez em 1916, e o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser (LIGO) as detectou pela primeira vez diretamente em 2016). Como as ondas gravitacionais carregam um sinal que mostra sua massa com desvio para o vermelho, extrair o desvio para o vermelho exige algum cálculo e estimativa, de acordo com um artigo de 2014 na revista Physical Review X.
Nota do editor: Este artigo foi atualizado em 7 de agosto de 2019 para refletir uma correção. As ondas de rádio deslocadas para a parte ultravioleta do espectro são deslocadas para o azul, não para o vermelho.
