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O que é o Desvio para o Vermelho na Astronomia?



          Quem gosta de Astronomia sempre se depara com o termo ´Desvio para o vermelho´, ou ´Redshifting´ em inglês. Galáxias muito distantes possuem sua velocidade e distância estimadas a partir desse desvio, mas o que exatamente ele significa?

        Todos aqui já devem ter notado que a sirene de uma ambulância ou de um carro de polícia, à medida que vão se afastando ou se aproximando de você, vão tendo seus pitchs mudados, ou seja, o perfil do barulho delas muda bastante devido à mudança de frequência experimentada pelas mesmas. Assim, quando o carro de ambulância vem com sua sirene ligada ao seu encontro, as ondas sonoras sofrem uma compressão extra e, consequentemente, o comprimento de onda das mesmas diminui, aumentando a frequência. Já quando a ambulância está se afastando de você, o comprimento das ondas sonoras é esticada, e, consequentemente, a frequência diminui. Quando maior a frequência das ondas sonoras, maior a energia sendo transportada por elas.


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         De forma similar, isso acontece com a emissão luminosa emitida pelos corpos no Universo. A luz, formada por fótons, é também uma onda e possui uma frequência característica para cada tipo de região do espectro de radiação eletromagnética (luz) (1). No espectro visível, a cor azul, por exemplo, possui uma maior frequência que a cor vermelha e, portanto, possui também maior energia. Caso algo que emita luminosidade esteja indo de encontro a você, a frequência dos fótons emitidos aumentará, e caso a mesma fonte luminosa esteja se afastando de você, a frequência diminuirá. Mas como a velocidade da luz é altíssima ( 3x108 m/s), não observamos um efeito Doppler nas mesma em nosso cotidiano, porque as velocidades de objetos observáveis aqui na superfície do nosso planeta são muito pequenas. Mas quando vamos para regiões muito distantes do Universo, as enormes velocidades de afastamento das galáxias, por exemplo, produzem um efeito Doppler na luz emitida ( melhor chamado de Desvio para o Vermelho, ou ´Redshift´) bem notável. 



           O Desvio para o vermelho é representado pela letra z na astronomia e relaciona a diminuição da frequência das partículas de fótons com a velocidade de afastamento das galáxias. E é válido notar neste ponto que esse desvio não necessariamente tende a ir apenas para a região do vermelho no espectro e, sim, apenas indica que a frequência da radiação eletromagnética está diminuindo. Mas cuidado! Esse afastamento das galáxias não indica a velocidade das mesmas como fonte exclusiva de "propulsão", mas, em maior grau de importância, a expansão do Universo, prevista já em 1929 por Edwin Hubble. Em outras palavras, duas galáxias podem estar paradas relativamente entre si, mas a expansão do espaço entre elas força o afastamento entre elas (2). Por isso fica melhor dizermos que a velocidade de afastamento entre as galáxias provoca o redshift. O alargamento do espaço no Universo acarreta no alargamento do comprimento de onda dessas radiações. E como esse efeito pode ser traduzido para a medição dessas galáxias em relação à Terra?

          Bem, de acordo com a Lei de Hubble, uma teoria aceita pela maior parte dos astrônomos, fica possível medir a distância onde se encontra galáxias distantes se conhecermos a velocidade de afastamento das mesmas, através da fórmula v = H x d, onde v é a velocidade da galáxia, H é a constante de Hubble e d é a distância da galáxia em relação ao nosso planeta. A constante de Hubble é ainda um tanto incerta em seu real valor, mas fica em torno de 65 km/s para cada megaparsec de distância ( 1 megaparsec é igual a 3 milhões de anos-luz). Ou seja, uma galáxia a 1 megaparsec de distância de nós estará se afastando a uma velocidade de 65 km/s, enquanto uma a 100 megaparsec estará com uma velocidade de afastamento 100 vezes maior. Para, então, determinar a velocidade de um corpo no Universo, precisamos apenas conhecer sua velocidade e esta pode ser estimada pelo redshift sendo sofrido por tal corpo. Ao analisar o espectro luminoso sendo emitido pelas galáxias, por exemplo, os astrônomos conseguem determinar a intensidade do redshift e, portanto, podem estimar a velocidade de afastamento. Jogando o valor encontrado na fórmula acima mencionada, encontramos a distância entre essa galáxia e nós.

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           Porém, no final desse assunto, precisamos ficar atentos com três pontos:

1. Assim como no efeito Doppler para as ondas sonoras, o desvio para o vermelho pode ser um desvio para o azul, ou seja, um aumento de frequência, em certas situações. No Universo, veremos mais um redshift por causa da expansão do mesmo, mas planetas, estrelas e galáxias próximas podem produzir um ´blueshift´, caso estejam vindo de encontro a nós.


2. Existe também o redshift gravitacional, onde um fóton perde energia ao tentar escapar de um campo gravitacional. Com a perda de energia, a frequência dos fótons nesse campo diminui. Quanto mais forte o campo, mais energia será perdida durante a resistência criada, aumentando o redshift.

3. A Lei de Hubble pode sofrer desvios consideráveis em largas escalas, o qual estará associado com a massa total do Universo. Aliás, os desvios no plot do gráfico esperado da velocidade (´redshift´) vs distância dá importantes informações sobre a quantidade de matéria no Universo, algo com grande utilidade para o entendimento da estranha matéria escura, por exemplo.

(1) A luz, visível ou não, é uma radiação eletromagnética formada por pacotes de energia chamados ´fótons´. Os fótons são partículas e, ao mesmo tempo, são ondas, mostrando comportamentos físicos de ambos os perfis.

(2) Isso também é importante para esclarecer a confusão que muitos fazem ao afirmarem que diversas galáxias no Universo quebram as "regras" da Teoria da Relatividade por atingirem velocidade de afastamento maior do que a velocidade da luz, esta a qual deveria ser o limite máximo de tudo. Porém, enquanto existem galáxias se afastando de nós, por exemplo, à velocidades maiores do que a da luz, isso não representa a velocidade intrínseca nelas, mas, sim, isso ocorre devido à expansão do espaço entre as galáxias. Portanto, Einstein ainda está sendo respeitado...:)

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/redshift.html
  2. http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/What_is_red_shift
  3. http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/cosmic_reference/redshift.html
  4. https://einstein.stanford.edu/content/relativity/q56.html