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.

Anunțuri

Lungimi de undă şi expansiunea Universului

Să ne imaginăm o stea. Mişcarea particulelor încărcare electric ale stelei creează un câmp electromagnetic, care are două componente, oscilante şi perpendiculare una pe cealaltă: componenta electrică şi componenta magnetică. Distanţa dintre două puncte maxime succesive ale undelor electromagnetice sub forma cărora se transmite energia electromagnetică se numeşte lungime de undă. Spectrul electromagnetic, care include radiaţia electromagnetică de toate lungimile de undă posibile este energie pură şi include spectrul vizibil, radiaţia elecromagnetică pe care noi o numim lumină, pentru că interacţionează cu obiectele din jurul nostru şi este recepţionată şi interpretată de sistemul vizual sub formă de culori.

Când trece printr-o prismă, lumina se descompune în lungimile de undă componente, fapt ce pentru ochiul uman înseamnă o succesiune de culori, spectrul vizibil. Dacă gazul din care este formată steaua este fierbinte, steaua produce un spectru de lumină continuu de la suprafaţa ei, în care este reprezentată o largă gamă de lungimi de undă (culorile), văzute oblic, ca nişte linii, numite liniile spectrale . Dar, în cazul în care gazul stelei este mai rece, în spectru apar linii de culoare închisă.

Din cauza faptului că obiectele cosmice sunt în continuă mişcare, noi le putem  detecta deplasările măsurând poziţia liniilor spectrale. Dacă liniile spectrale ale stelei noastre indică lungimi de undă mai mari, observându-se o deplasare spre roşu, atunci steaua se îndepărtează de noi. În caz contrar, dacă liniile ei spectrale indică lungimi de undă mai mici, observându-se o deplasare către albastru, atunci steua se apropie de noi.

Astronomii au observat că deplasarea se măreşte odată ce viteza dintre sursă şi observator creşte. Deoarece galaxiile îndepărtate prezintă deplasări considerabile  spre roşu, ele se îndepărtează cu viteze uriaşe, numite deplasări cosmologice către roşu. Lumina obiectelor îndepărtate este cu atât mai slabă, cu cât deplasarea lor  cosmologică spre roşu este mai mare.

Aspectele prezentate în paragrafele anterioare duc la concluzia că Universul se află în expansiune, căci majoritatea galaxiilor par a se depărta rapid de galaxia noastră. În 1929, Edwin Hubble a demonstrat definitiv acest lucru, descoperind că viteza de recesiune creşte odată  cu distanţa de la Pământ la sursă, conform legii lui Hubble –    (D este distanţa dintre galaxie şi observator, măsurată în megaparseci, H₀ este constanta lui Hubble). Această descoperire a schimbat fundamental discuţia despre începutul Universului, căci dacă mişcarea de expansiune a Universului este dintodeauna, atunci rezultă pe care de consecinţă că a existat un moment iniţial al expansiunii, când tot ce există era într-un sigur loc, denumit de fizicieni singularitate.