Efectul Doppler

Cu siguranță ați auzit sirena unei ambulanțe trecând prin apropiere. Dar ați observat că zgomotul făcut de sirenă este mai puternic atunci când ambulanța se apropie, urmând ca acesta să scadă în intensitate când ea se îndepărtează?

Acesta este efectul Doppler, descoperit de către matematicianul și fizicianul austriac Christian Doppler în 1842. Și cum explicăm acest fenomen?

Schimbarea în intensitatea zgomotului emis de sirenă este cauzată de o fluctuație a frecvenței undelor de sunet. Atunci când ambulanța se apropie, distanța dintre unde devine din ce în ce mai mică, ceea ce duce la o creștere a frecvenței (frecvența și lungimea de undă sunt mărimi invers proporționale i.e. c=νλ). În caz contrar, atunci când ambulanța se îndepărtează, distanța dintre undele de sunet se mărește, iar frecvența undelor sau zgomotul produs de sirenă scade în intensitate.

Doppler

Efectul Doppler © NCSA

Măsurând schimbarea în frecvență, putem determina dacă respectiva ambulanță se apropie sau se îndepărtează. Mai mult, dacă putem afla rata de variație a frecvenței, vom ști viteza ambulanței.

Acest procedeu se aplică și în cazul radiației electromagnetice, emise de un obiect aflat în mișcare. Când obiectul se apropie de un observator, frecvența radiației sale crește sau „se deplasează spre albastru”. Când obiectul se îndepărtează de un observator, frecvența scade sau „se deplasează spre roșu”.

Effectul Doppler poate fi studiat pentru tot spectrul electromagnetic și redat în funcție de frecvența sau lungimea de undă a radiației.

În astronomie, această deplasare a liniilor spectrale este utilizată pentru determinarea cu precizie a vitezei cu care stelele și celelalte astre se mișcă între noi sau se îndepărtează de noi. De exemplu, în cele mai îndepărtate galaxii, liniile spectrale ale hidrogenului apar a se deplasa de roșu cu o viteză semnificativă.

Deplasarea Doppler este dată de formula (valabilă atunci cand z<<1 i.e. viteze non-relativistice):

Doppler formula

unde λ este lungimea de undă observată, λ0 este lungimea de undă emisă, c este viteza luminii în vid (299 792 458 m/s), iar v este viteza obiectului care emite radiația electromagnetică.

Fenomenul de pulsare

Cum explică oamenii de știință pulsarea acestor stele?

Desigur, există mai multe teorii însă cea acceptată se numește Valva Eddington sau Mecanismul-κ (litera greacă κ denotă existența unui gaz opac). Se consideră că heliul este cel mai activ gaz în procesul de pulsare. Heliul dublu ionizat (heliul ai căror atomi conțin cu doi electroni mai puțin) este mai opac decât heliul ionizat o singură dată. Iar, cu cât heliul este mai încălzit, cu atât acesta devine mai ionizat. În punctul cel mai obscur al ciclului de pulsare, acest gaz ionizat opac din straturile exterioare ale stelei este încălzit de radiația stelei. Datorită temperaturii ridicate, gazul începe să se extindă. În timp ce se extinde acesta se răcește și devine astfel mai puțin ionizat, adică mai transparent, permițându-i radiației să evadeze. Acest lucru pune capăt expansiunii, urmând ca întreg procesul să se inverseze din cauza atracției gravitaționale a stelei. Apoi procesul este reluat.

Eddington Valve

Valva Eddington © KCVS (click pe imagine pentru animație)

Această explicație ce îi atribuie unei stele cefeide rolul de motor termic a fost propusă pentru prima dată în 1917 de către Arthur Stanley Eddington dar de-abia în 1953 S. A. Zhevakin a descoperit heliul ionizat, ce joacă rolul unei probabile valve a motorului.