Redshift e blueshift descrivono come la luce si sposta verso lunghezze d’onda più corte o più lunghe quando gli oggetti nello spazio (come le stelle o le galassie) si avvicinano o si allontanano da noi. Il concetto è fondamentale per tracciare l’espansione dell’universo.
La luce visibile è uno spettro di colori, il che è chiaro a chiunque abbia guardato un arcobaleno. Quando un oggetto si allontana da noi, la luce si sposta verso l’estremità rossa dello spettro, poiché le sue lunghezze d’onda si allungano. Se un oggetto si avvicina, la luce si sposta verso l’estremità blu dello spettro, poiché le sue lunghezze d’onda si accorciano.
Per pensare a questo in modo più chiaro, l’Agenzia Spaziale Europea suggerisce di immaginare di ascoltare una sirena della polizia mentre l’auto sfreccia davanti a voi sulla strada.
“Tutti hanno sentito l’aumento del tono di una sirena della polizia che si avvicina e la forte diminuzione del tono mentre la sirena passa e si ritira. L’effetto si verifica perché le onde sonore arrivano all’orecchio dell’ascoltatore più vicine quando la sorgente si avvicina, e più distanti quando si allontana”, ha scritto l’ESA.
Suono e luce
Questo effetto sonoro è stato descritto per la prima volta da Christian Andreas Doppler nel 1800 ed è chiamato effetto Doppler. Poiché anche la luce emana in lunghezze d’onda, ciò significa che le lunghezze d’onda possono allungarsi o accartocciarsi a seconda della posizione relativa degli oggetti. Detto questo, non lo notiamo su scala quotidiana perché la luce viaggia molto più veloce della velocità del suono – un milione di volte più veloce, ha notato l’ESA.
L’astronomo americano Edwin Hubble (da cui prende il nome il telescopio spaziale Hubble) fu il primo a descrivere il fenomeno del redshift e a legarlo a un universo in espansione. Le sue osservazioni, rivelate nel 1929, hanno mostrato che quasi tutte le galassie che ha osservato si stanno allontanando, ha detto la NASA.
“Questo fenomeno è stato osservato come un redshift dello spettro di una galassia”, ha scritto la NASA. “Questo redshift sembrava essere più grande per le galassie deboli, presumibilmente più lontane. Quindi, più una galassia è lontana, più velocemente si sta allontanando dalla Terra.”
Le galassie si stanno allontanando dalla Terra perché il tessuto dello spazio stesso si sta espandendo. Mentre le galassie stesse sono in movimento – la galassia di Andromeda e la Via Lattea, per esempio, sono in rotta di collisione – c’è un fenomeno generale di redshift che avviene man mano che l’universo diventa più grande.
I termini redshift e blueshift si applicano a qualsiasi parte dello spettro elettromagnetico, comprese le onde radio, infrarossi, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Quindi, se le onde radio sono spostate nella parte ultravioletta dello spettro, si dice che sono blueshifted, o spostate verso le frequenze più alte. I raggi gamma spostati verso le onde radio significherebbero uno spostamento verso una frequenza più bassa, o un redshift.
Il redshift di un oggetto si misura esaminando le linee di assorbimento o di emissione nel suo spettro. Queste linee sono uniche per ogni elemento e hanno sempre la stessa spaziatura. Quando un oggetto nello spazio si muove verso o lontano da noi, le linee possono essere trovate a lunghezze d’onda diverse da quelle in cui si troverebbero se l’oggetto non si stesse muovendo (relativamente a noi).
Il redshift è definito come il cambiamento nella lunghezza d’onda della luce diviso per la lunghezza d’onda che la luce avrebbe se la sorgente non si muovesse – chiamata lunghezza d’onda di riposo:
Tre tipi di redshift
Nell’universo si verificano almeno tre tipi di redshift – dall’espansione dell’universo, dal movimento delle galassie l’una rispetto all’altra e dal “redshift gravitazionale”, che avviene quando la luce viene spostata a causa dell’enorme quantità di materia all’interno di una galassia.
Quest’ultimo redshift è il più sottile dei tre, ma nel 2011 gli scienziati sono stati in grado di identificarlo su una scala di dimensioni dell’universo. Gli astronomi hanno fatto un’analisi statistica di un grande catalogo conosciuto come Sloan Digital Sky Survey, e hanno scoperto che il redshift gravitazionale esiste – esattamente in linea con la teoria della relatività generale di Einstein. Questo lavoro è stato pubblicato in un articolo su Nature.
“Abbiamo misure indipendenti delle masse degli ammassi, quindi possiamo calcolare quale sia l’aspettativa per il redshift gravitazionale basato sulla relatività generale”, ha detto l’astrofisico dell’Università di Copenhagen Radek Wojtak. “Il primo rilevamento del redshift gravitazionale avvenne nel 1959, dopo che gli scienziati lo rilevarono nella luce dei raggi gamma proveniente da un laboratorio sulla Terra. Prima del 2011, è stato trovato anche nel sole e nelle nane bianche vicine, o le stelle morte che rimangono dopo che le stelle di dimensioni solari cessano la fusione nucleare alla fine della loro vita.
Usi notevoli del redshift
Il redshift aiuta gli astronomi a confrontare le distanze di oggetti lontani. Nel 2011, gli scienziati hanno annunciato di aver visto l’oggetto più lontano mai visto – un Gamma-ray burst chiamato GRB 090429B, che proveniva da una stella in esplosione. All’epoca, gli scienziati stimarono che l’esplosione ebbe luogo 13,14 miliardi di anni fa. In confronto, il Big Bang è avvenuto 13,8 miliardi di anni fa.
La galassia più lontana conosciuta è GN-z11. Nel 2016, il telescopio spaziale Hubble ha determinato che esisteva solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang. Gli scienziati hanno misurato il redshift di GN-z11 per vedere quanto la sua luce fosse stata influenzata dall’espansione dell’universo. Il redshift di GN-z11 era di 11,1, molto più alto del successivo redshift più alto di 8,68 misurato dalla galassia EGSY8p7.
Gli scienziati possono usare il redshift per misurare come l’universo è strutturato su larga scala. Un esempio di questo è la Grande Muraglia Ercole-Corona Boreale; la luce impiega circa 10 miliardi di anni per attraversare la struttura. Lo Sloan Digital Sky Survey è un progetto di redshift in corso che sta cercando di misurare i redshift di diversi milioni di oggetti. La prima indagine sul redshift è stata la CfA RedShift Survey, che ha completato la sua prima raccolta di dati nel 1982.
Un campo di ricerca emergente riguarda come estrarre informazioni sul redshift dalle onde gravitazionali, che sono disturbi nello spazio-tempo che avvengono quando un corpo massiccio viene accelerato o disturbato. (Einstein ha suggerito per la prima volta l’esistenza delle onde gravitazionali nel 1916, e il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) le ha rilevate direttamente nel 2016). Poiché le onde gravitazionali trasportano un segnale che mostra la loro massa spostata, estrarre il redshift da questo richiede alcuni calcoli e stime, secondo un articolo del 2014 nella rivista peer-reviewed Physical Review X.
Nota dell’editore: Questo articolo è stato aggiornato il 7 agosto 2019 per riflettere una correzione. Le onde radio spostate nella parte ultravioletta dello spettro sono blueshifted, non redshifted.
Notizie recenti