Efectos Doppler y corrimientos al rojo (redshift)

Hoy explicaré dos sucesos que en principio son muy similares, pero que guardan varias diferencias importantes y no conviene confundirlos: el efecto Doppler y el corrimiento al rojo (o redshift).

Efecto Doppler

Todos alguna vez hemos sido testigos del paso de una ambulancia (o coche policía o de bomberos) con la sirena dada cerca nuestro. Si escuchamos el sonido de dicha sirena, nos damos cuenta de que éste va cambiando a medida que la ambulancia se va acercando o alejando.
Por supuesto, sabemos que el sonido real de la ambulancia es siempre el mismo, así que este cambio se debe de deber al movimiento de ésta.

A medida que se acerca a nosotros, oímos un sonido más agudo, mientras que una vez nos ha sobrepasado, escuchamos que este sonido es más grave.

Esto se debe a que como la ambulancia (fuente del sonido) tiene una velocidad respecto a nosotros, en función de dónde nos colocamos escuchamos una frecuencia u otra para el sonido que emite.
Si cuando la ambulancia está parada, da igual dónde nos coloquemos, que siempre oiremos la misma frecuencia en dicho sonido, igual a la que emite la ambulancia.
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Sin embargo, cuando la ambulancia está en movimiento, observamos que si estamos delante de ella (viene hacia nosotros) la frecuencia del sonido (representada por la distancia que hay entre dos líneas en el punto donde estemos) es mayor (las líneas están más juntas) mientras que si estamos detrás (ya nos ha pasado) la frecuencia es mayor (líneas más separadas).

Este efecto no solo se da en el sonido, sino también en la luz. Por lo que cuando un objeto se acerca hacia nosotros, su luz presenta una frecuencia mayor de lo normal (es más azul), mientras que cuando se aleja tiene menor frecuencia (es más roja).
Sin embargo, este efecto no es visible normalmente porque requiere unas velocidades mucho mayores a las que nos encontramos en la Tierra para ser apreciable. Aunque, por ejemplo, es un método que se utiliza para conocer la velocidad a la que se alejan o acerca las estrellas.

El corrimiento al rojo o redshift

Desde que Hubble en el siglo XX estudió la velocidad a la que se movían las galaxias, conocemos que el Universo se está expandiendo. Esto significa que en el Universo (a gran escala) todo se aleja respecto de todo, por lo que las galaxias cada vez se alejan más de otras (obviando los movimientos propios que tengan éstas que provocan que las cercanas puedan estar acercándose a nosotros).
Además, Hubble encontró que esta velocidad es proporcional a la distancia, por lo que cuanto más lejos esté una galaxia, más rápido se aleja de nosotros (para distancias cortas no es apreciable el efecto, ya que además de ser pequeño, es menor que las velocidades que puedan tener las galaxias de por sí).

Esto provoca que la luz que vemos de estas galaxias presente una frecuencia menor (desplazada hacia el rojo). Y cuanto más lejos esté, más desplazado al rojo veremos su luz, por lo que esto es, actualmente, el método más eficaz para obtener la distancia a las galaxias muy lejanas.

Hasta aquí no hemos visto ninguna diferencia con el efecto Doppler, o más bien, esta diferencia ha pasado desapercibida.
En el Doppler, la variación de la frecuencia se produce por la velocidad que lleva la fuente, siendo esta velocidad la que dicta cómo es esta variación.
Sin embargo, en el caso de la expansión del Universo, este efecto no se debe a que las galaxias se estén moviendo respecto a nosotros (de hecho su movimiento propio es despreciable a grandes distancias), sino a que entre ella y nosotros se está expandiendo el Universo (o el “tejido” del espacio-tiempo, aunque depende qué teorías lo explican como que se está creando espacio-tiempo, más que éste se esté expandiendo).

Así, este efecto únicamente se debe a lo que sucede por el camino, y no al movimiento de la fuente. Esta es la causa de que este efecto no sea un efecto Doppler, aunque por supuesto, si la galaxia se está moviendo, además del corrimiento al rojo por la expansión del Universo, presentará un efecto Doppler por su movimiento.
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Corrimiento al rojo gravitacional

Y por último, toca matizar otro efecto que también produce que la frecuencia de la luz que recibimos de un objeto varíe, produciendo el mismo efecto sobre la luz que recibimos, aunque la causa es otra.

Nosotros, que estamos en la Tierra, estamos inmersos en su campo gravitatorio, lo que provoca que si queremos alejarnos de ésta, necesitemos producir una energía suficiente para conseguir la velocidad necesaria para escapar de nuestro planeta (que es lo que hacen los cohetes, por ejemplo).
A medida que nos vamos alejando de la Tierra, vemos que ésta hace que nuestra velocidad vaya disminuyendo (i.e. vayamos perdiendo energía), aunque si llevamos la velocidad suficiente, no habrá ningún problema y no caeremos de nuevo a tierra (como le sucede a una canica que lanzas hacia arriba).

Sin embargo, esta pérdida de energía que experimentamos para poder alejarnos de un campo gravitacional (sea el de la Tierra o el de cualquier cuerpo con masa) no solo nos afecta a nosotros, sino que también le afecta a la luz.
Claro que ésta no reduce su velocidad (ya que siempre va a c, la velocidad de la luz). Pero de la luz sabemos que su energía es proporcional a su frecuencia, por lo tanto, ya podemos encontrar lo que ocurre:
a medida que la luz se desplaza hacia una región del espacio donde hay menor gravedad (un campo gravitatorio menor), su frecuencia se va haciendo menor, esto es, se va haciendo más roja.

Y queda claro que este efecto es distinto a los dos anteriores, y por eso recibe el nombre de corrimiento al rojo gravitacional. Por supuesto, si la luz va en sentido contrario (hacia un campo gravitatorio mayor), el efecto es al contrario, se vuelve más azul, por lo que se suele llamar corrimiento al azul gravitatorio.

Este efecto presenta un límite curioso: si el campo gravitatorio es suficientemente intenso, la frecuencia de dicha luz tenderá a infinito, o lo que es equivalente, no se vería ninguna luz procedente de dicho objeto.
Este objeto es precisamente lo que se denomina un agujero negro, un objeto con un campo gravitatorio tal que no deja escapar ni la luz.