L’effetto Doppler e l’Universo

Per la gioia di tutti quelli che tengono un santino di Carl Sagan nel portafoglio ritorna Curiosità Spaziali!
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Questa volta faccio una prova con un nuovo layout per la rubrica.
In teoria dovrebbe rendere la lettura più gestibile.
Fatemi sapere se preferite di più il nuovo layout o quello vecchio.
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Questa volta non parlerò di un corpo celeste, ma d una legge della fisica che ci ha permesso di capire un bel po’ di più del nostro amato Universo.
Naturalmente sto parlando dell'Effetto Doppler!

Che cos’è l'Effetto Doppler?
L’effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza o della lunghezza d’onda di un’onda percepita da un osservatore che si trova in movimento rispetto alla sorgente delle onde. Per quelle onde che si trasmettono in un mezzo, come le onde sonore, la velocità dell’osservatore e dell’emettitore vanno considerate in relazione a quella del mezzo in cui sono trasmesse le onde. L’effetto Doppler totale può quindi derivare dal moto di entrambi, ed ognuno di essi è analizzato separatamente.
L’effetto Doppler è riscontrabile in tutti i tipi di onde, ovvero le onde sonore, le onde luminose, le onde elettromagnetiche, ecc ecc.
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In soldoni l’effetto doppler è un effetto che si viene a creare quando ci si trova in movimento relativo rispetto a una fonte di onde generiche.
Se la velocità relativa indica un’avvicinamento tra noi e la fonte osserveremo che la frequenza dell’onda aumenta, se invece la velocità indica un allontanamento osserveremo una riduzione della frequenza dell’onda.

Per farvi capire meglio vi faccio un esempio, anzi, l’Esempio per l’effetto Doppler.
Christian Andreas Doppler fu colui che intuì l’esistenza dell’effetto Doppler e colui che intuì il suo “funzionamento”.
Nel 1845, per verificare la sua ipotesi effettuò un esperimento: si piazzò accanto ai binari della ferrovia e ascoltò il suono emesso da un vagone pieno di musicisti metal mentre si avvicinava e poi mentre si allontanava. L’esperimento confermò che la frequenza del suono era più alta quando l’origine del suono si stava avvicinando, e più bassa quando si stava allontanando.

Hippolyte Fizeau scoprì indipendentemente lo stesso effetto nelle onde elettromagnetiche nel 1848.

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Perché l’effetto Doppler è così importante nell’Astronomia?
Come detto prima l’effetto Doppler si può applicare a tutti i tipi di onde, comprese quelle luminose.
Interpretandolo come dovuto ad un effettivo moto della sorgente -esistono anche interpretazioni alternative, ma meno diffuse- è stato usato per misurare la velocità con cui stelle e galassie si stanno avvicinando o allontanando da noi, per scoprire che una stella apparentemente singola è, in realtà, una stella binaria con componenti molto vicine tra loro, e anche per misurare la velocità di rotazione di stelle e galassie.
Insomma, con l’effetto doppler noi misuriamo e comprendiamo l’Universo.
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Facciamo un piccolo passo indietro, sappiamo che conseguenze ha l’effetto Doppler applicato alle onde sonore. Se la fonte del suono si avvicina avremo un aumento di frequenza, se si allontana avremo un calo della frequenza.

Ma come si applica l’effetto Doppler alle onde luminose?

Tutti noi sappiamo che ogni colore che noi vediamo è associato ad una specifica frequenza dello spettro elettromagnetico.

L’effetto Doppler incide sullo spettro della luce visibile allo stesso modo in cui incide sulle onde sonore.
Variandone la frequenza.
Ma se nel caso dei suoni noi abbiamo una variazione fra un suono più acuto ed uno più basso, nel caso dello spettro luminoso noi abbiamo uno spostamento verso il rosso o verso il blu.

Blueshift
Lo spostamento verso il blu, o più semplicemente Blueshift, indica che la fonte luminosa si sta avvicinando all’osservatore.
Nella situazione cosmologica il Blueshift è uno dei casi meno comuni, dato che l’universo si sta espandendo ci sono ben pochi oggetti che si avvicinano alla Terra.
Vi faccio alcuni esempi di oggetti osservati che mostrano il Blueshift: la galassia di Andromeda che si sta muovendo verso noi nel Gruppo Locale, i Blazar (nuclei di un tipo di galassie attive) che creano getti relativistici rivolti nella nostra direzione, emettendo radiazione di sincrotrone e radiazione di frenamento,
le stelle vicine come la Stella di Barnard si stanno muovendo verso noi, facendo risultare un piccolissimo spostamento verso il blu.

RedShift
Lo spostamento verso il rosso, o più comunemente Redshift, indica che la fonte luminosa si sta allontanando dall’osservatore.
Nella situazione cosmologica il Redshift è il fenomeno più frequentemente osservato dagli astronomi.
Ciò indica che la maggior parte dei corpi celesti si sta allontanando dalla nostra posizione relativa nello spazio.
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Perché è così importante il Redshift?
Sulla carta il Blueshift è molto più interessante del Redshift, dato che se un oggetto mostra uno spostamento verso il blu vuol dire che esso si sta avvicinando a noi, quindi ipoteticamente sarà raggiunto più velocemente da ipotetica sonda lanciata in un ipotetico futuro.
Ma il Redshift ci ha permesso di misurare l’universo, di capirne l’origine e probabilmente ci permetterà di predirne la fine.
Mica cazzi.
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Ma chi è che ha portato alla ribalta il Redshift?
Per rispondere a questa domanda dobbiamo fare un piccolo salto indietro nel tempo.

Tutto ebbe inizio negli anni ’20.
In quel periodo -e purtroppo anche fino alla fine degli anni ’40- veniva adottata la teoria del Principio cosmologico perfetto, un ipotesi derivata dal Principio cosmologico di Albert Einstein.
In breve il principio cosmologico perfetto affermava che l’Universo è identico a sé stesso in ciascuno dei suoi punti e che questo sia vero ad ogni epoca.
Risulta subito evidente che questa era una teoria tappabuchi, usata per non dire pubblicamente che non si sa un catso dell’universo.
Inoltre era anche molto utile nel semplificare i calcoli, un sistema statico è sempre più semplice di un sistema variabile.
Fancazzisti.

Però tutto questo non piaceva ad un certo Edwin Hubble, egli non riteneva possibile che l’universo si potesse riassumere in una definizione così semplice e banale.
Armato di telescopio e tanta pazienza Hubble si mise ad osservare le galassie a noi più vicine, in cerca di prove per confutare il Principio Cosmologico.

Osservando una stella nella galassia di Andromeda verificò che essa variava ciclicamente la sua luminosità, e mostrava uno spostamento cromatico rispetto ad altre stelle simili.
Uno spostamento verso il blu.

Da ciò Hubble capì che attraverso l’effetto Doppler poteva stabilire le distanze tra i vari corpi celesti.

Finalmente,nel 1929, dopo anni di ricerche, egli presentò la Legge di Hubble.
In breve questa legge dimostra la distanza di un corpo celeste è direttamente proporzionale alla sua velocità.
Ma non solo.
Attraverso di essa Hubble riuscì a calcolare l’esatta distanza di Andromeda dalla Terra, 2 milioni di anni luce, a stabilire che l’universo era in espansione e, soprattutto, che la Terra non era in una posizione “privilegiata”.
Ovvero non è che l’universo si sta espandendo a partire dalla nostra posizione, ma che ogni punto si allontana in maniera uguale da qualsiasi altro punto nell’universo.

Voglio ricordare che Hubble commise molti errori di calcolo nella prima stesura della sua Legge, ma ciò non toglie importanza alla sua scoperta.
Stiamo parlando di un periodo in cui ancora si discuteva se la Via Lattea era larga 1000, 10000 o 100000 anni luce.

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Quali sono i futuri sviluppi nella teoria del Redshift?
Lo spostamento verso il rosso è stato il primo e più longevo strumento d’indagine cosmologica a disposizione di fisici e astronomi: ha permesso di misurare l’Universo, di valutarne l’accelerazione, l’età e la densità media.
Ha permesso di elaborare lo scenario di universo in espansione attualmente visto come standard, il quale, estrapolato indietro nel tempo, porta ad una singolarità, un punto nel tempo dove tutte le distanze erano nulle. La teoria che descrive questi avvenimenti è quella del Big Bang.
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Eventuali variazioni nel Redshift potrebbero confermare anche le teorie del Big Crunch o del Big freeze.
Ma come in ogni teoria che si rispetti c’è un ma.

I dati della missione WMAP hanno rivelato, nelle armoniche della radiazione di fondo, valori stranamente bassi per le armoniche di quadrupolo e ottupolo, e per quelle di ordine 40 e 200, oltre all’allineamento delle prime due con parametri terrestri, del sistema solare e dell’ammasso locale. Queste anomalie sono imputabili ad errori di misurazione, ad assorbimenti non considerati o ad un fenomeno sconosciuto. Gli errori sembrano esclusi dal parziale conforto delle anomalie nei dati di COBE, anche se migliori stime si avranno con le prossime missioni. Ugualmente i fenomeni di assorbimento locali, per varie ragioni, sembrano da escludere.

È teoricamente possibile (per quanto molto improbabile) che il redshift non sia dovuto ad un moto della sorgente rispetto all’osservatore ma a qualche effetto fisico, che non comprendiamo, o che la relazione fra luminosità e distanza sia diversa da quella che ci attendiamo.

L’indagine resta quindi aperta, e non si esclude la revisione dei modelli cosmologici attuali.
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Link utili
Come sempre Wikipedia ITA | ENG
Physics.com
La classica spiegazione per i niubbi.
Una spiegazione per niubbi un po’ più colti.
Una piccola applet java che illustra il variare dell’effetto Doppler al variare della velocità.
Ricordo che in questo thread potete suggerirmi le tematiche per i prossimi articoli.