¿Cuál es la relación entre el desplazamiento al rojo y las líneas de absorción?
Inspirado por una conversación con uhoh en los comentarios:
En mi respuesta, me refiero a un "patrón" de "líneas de absorción". Para aquellos que no están versados en el tema, permítanme explicarlo.
Cuando una luz brilla a través de una nube de gas, se absorben frecuencias específicas de luz. Cuando esta luz brille a través de un prisma, las frecuencias bloqueadas aparecerán como líneas negras en el espectro (vea la ilustración a continuación). Las líneas exactas que aparecen y sus posiciones en el espectro (el "patrón" de las "líneas de absorción") dependen de los elementos presentes en el gas y el entorno del gas. El efecto se ve más claramente con una luz que emite fotones en todas las frecuencias; Este tipo de luz se conoce como radiación de cuerpo negro . Aunque emite luz en todas las frecuencias, un radiador de cuerpo negro emitirá la mayor cantidad de luz a una longitud de onda particular; La ubicación de este pico se conoce como la temperatura del cuerpo negro.
Fuente: Doppler Shift , Edward L. Wright
(Excelente sitio, por cierto, vale la pena consultar las preguntas frecuentes para obtener más información sobre los cambios rojos y la cosmología en general)
A medida que la luz viaja a través del espacio (en expansión), es la longitud de onda y las longitudes de onda de las líneas de absorción se extienden a una velocidad fija para todas las frecuencias. Digamos que en el momento de la emisión / absorción, un espectro muestra líneas a longitudes de onda de 1, 3 y 5 nm 1 . Después de que los fotones hayan viajado durante un cierto período de tiempo, todas las longitudes de onda del espectro parecerán haber duplicado 2 . La línea que antes estaba a 1 nm ahora se ve a 2 nm, la que antes estaba a 3 nm ahora se ve a 6 nm y la que originalmente estaba a 5 nm ahora se ve a 10 nm. Aunque sus frecuencias absolutas cambian con el tiempo, la relación de las longitudes de onda (y frecuencias) de las líneas en relación con la otra permanece constante.
La cantidad precisa que se desplaza el espectro de un objeto dado se correlaciona directamente con su distancia. Como se ve en el diagrama anterior, los objetos cercanos (como el Sol) no muestran desplazamiento al rojo. A medida que uno mira los objetos cada vez más lejos, ve cantidades crecientes de desplazamiento rojo 3 .
En la discusión en la respuesta anterior, es este patrón de posiciones relativas en las líneas que se ve afectado por la temperatura CMBR en el momento de la absorción y no el grado en que las líneas se han desplazado.
1 Para decirlo técnicamente, este punto está en donde indica la magnitud del desplazamiento, positivo para los desplazamientos rojos (alejándose) y negativo para los desplazamientos azules (acercándose). Aquí se puede encontrar una discusión más profunda de este tema (incluida la definición precisa de ) . z= 0zz2 El punto de duplicación de la longitud de onda (reducción de la frecuencia) está en 3 Cabe señalar que, dado que existe cierta incertidumbre en la velocidad a la que el Universo se está expandiendo, los cambios en rojo no se refieren a distancias conocidas con precisión. Así, los astrónomos y cosmólogos rara vez se refieren a las distancias a objetos distantes en términos absolutos de, digamos, años luz o parsecsz = 1 z
z=1
, prefiriendo, más bien, usar la cantidad de desplazamiento al rojo observado (la mencionada anteriormente).z
El mecanismo detrás del desplazamiento hacia el rojo no es que los fotones estén cambiando, sino que el espacio por el que se mueven las ondas electromagnéticas se está expandiendo. (Los fotones son tanto partículas como ondas; no, no es exactamente intuitivo). Este estiramiento constante del espacio estira la longitud de onda de la luz, dando lugar tanto al efecto del desplazamiento hacia el rojo como al aumento del desplazamiento hacia el rojo de un fotón determinado con el tiempo.
Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
¿Cómo se relaciona el desplazamiento al rojo con el CMBR?
En los comentarios, Alchimista preguntó: "¿No es CMBR realmente la quintaesencia del cambio rojo?"
(Supongo que está utilizando el significado común, y no cosmológico , de "quintaesencia")
Sí, la temperatura CMBR actual (3 K) se acepta generalmente como el resultado de fotones de energía relativamente alta (3000 K) emitidos aproximadamente 380,000 años después del Big Bang que han ampliado sus longitudes de onda con el tiempo por la expansión del Universo hacia El extremo rojo (es decir, más frío o de menor energía) del espectro. Esta expansión fue inferida por Hubble et al. de la observación de que las galaxias más pequeñas y más tenues (como se ve desde la Tierra) tienen un mayor cambio en sus espectros. Cuanto más lejos es la distancia aparente, mayor es el cambio observado. Usando este desplazamiento rojo aparente correlacionado con la distancia, podemos inferirque el Universo era más pequeño en el pasado y, por lo tanto, más denso con una temperatura más alta para el CMBR. En base a los cambios rojos observados en galaxias distantes, podemos deducir, pero no medir directamente, cuál era la temperatura CMBR a cada distancia.
Lo que hicieron los autores del artículo anterior fue hacer una medición directa de la temperatura del CMBR en un momento específico en el pasado. La temperatura medida es más alta de lo que es hoy, lo que implica un universo más denso y, por lo tanto, más pequeño. Los investigadores descubrieron además que la temperatura medida directamente encaja perfectamente con la inferida del cambio rojo observado de la galaxia que se está estudiando.
En pocas palabras, la cadena de inferencia se intercambia:
- Para el razonamiento basado en el desplazamiento hacia el rojo:
aumento de los desplazamientos hacia el rojo con la distancia aparente (medida directamente) ⇒ Expansión ⇒ Universo más denso en el pasado ⇒ Mayor temperatura CMBR en el pasado.
- Para una medición directa de la temperatura pasada (como en este documento):
Temperatura CMBR más alta en el pasado (medida directamente) ⇒ Universo más denso en el pasado ⇒ Expansión ⇒ Cambio rojo observado.
Estas dos cadenas de inferencia basadas en diferentes conjuntos de evidencia se complementan y apoyan perfectamente.
Una cosa a tener en cuenta es que el CMBR no fue creado por expansión (al menos no directamente) sino que es la expansión lo que explica su temperatura y uniformidad actuales. Según la teoría del Big Bang, el universo primitivo era muy denso; tan denso y caliente que toda la materia era un plasma de partículas subatómicas, opacas a los fotones. Aproximadamente 380,000 años después del Big Bang, el Universo se había enfriado (por expansión) lo suficiente como para que los protones y los electrones pudieran combinarse para formar gas de hidrógeno neutro (que es transparente). El CMBR es la luz que se liberó en este momento y se ha estado enfriando desde entonces.
