Che cos’è l’effetto red shift?

OSR blog post

Cosa vuol dire red shift?

Red shift è un’espressione inglese, letteralmente “spostamento verso il rosso“, anche conosciuto come effetto batocromo. I termini fanno riferimento ad un fenomeno ben preciso dell’astronomia, per il quale una radiazione elettromagnetica emessa da un corpo in fase di allontanamento possiede una lunghezza d’onda maggiore rispetto a quella prodotta all’emissione. L’espressione red shift deriva proprio dal fatto che con la radiazione, ad esempio la luce, il colore si dirige verso il rosso, ovvero l’estremo inferiore dello spettro del visibile. In generale il fenomeno comporta un aumento della lunghezza d’onda, quindi una diminuzione della frequenza.

Che cos’è l’effetto red shift?

Lo spostamento verso il rosso è un esempio dell’effetto Doppler: un fenomeno di natura fisica che consiste nel cambiamento apparente della frequenza o della frequenza d’onda percepita da un osservatore quando viene raggiunto da un’onda emessa da una fonte in movimento.
Il red shift, in particolare, non interessa esclusivamente le onde elettromagnetiche. Venne infatti scoperto grazie alle onde sonore, attraverso l’impressione di un cambio nel tono delle sirene.
È un fenomeno complementare al cosiddetto blue shift, o spostamento verso il blu, evento in grado di manifestarsi quando la lunghezza d’onda diminuisce. Questo è causato, ad esempio, da una sorgente che si muove verso l’osservatore oppure da una radiazione elettromagnetica nel momento in cui entra in un campo gravitazionale. La differenza sta proprio nella misura della lunghezza d’onda, la quale aumenta nel caso del red shift e si riduce con il blue shift.

EdwinHubble

Hubble, assieme a Milton Humason, formulò la legge empirica di distanza di redshift delle galassie.

I due fenomeni sono stati sfruttati per realizzare alcuni dispositivi tecnologici oggi impiegati, come gli autovelox e i radar doppler (strumento utilizzato per la misura della velocità radiale di un oggetto rispetto ad un altro sistema di riferimento).
La storia della scoperta di questo evento astrofisico risale al XIX secolo, in primis grazie agli studi di Christian Doppler, il quale offre una prima descrizione del red shift già nel 1842.
Nel XX secolo Edwin Hubble scopre la relazione approssimata esistente tra il red shift di molte galassie a spirale, e conclude formulando la legge che porta il suo nome.
A questi sono seguiti molti studi, i quali hanno permesso l’identificazione delle varie tipologie del fenomeno, la sua classificazione e le sue implicazioni in altre discipline. Oggi sono ancora in corso diverse ricerche di cui il red shift è il soggetto principale, soprattutto a livello universitario.

I tre tipi di red shift

 

È possibile classificare il fenomeno in tre diverse tipologie o sotto-categorie, le quali presentano differenze sotto molteplici aspetti. Queste sono: il red shift dovuto all’effetto Doppler, il red shift cosmologico e il red shift gravitazionale.
Nel primo caso, lo spostamento verso il rosso si verifica nel momento in cui una sorgente (di luce, nel caso delle onde elettromagnetiche) procede allontanandosi da un osservatore. Viceversa, l’evento si presenta anche quando è quest’ultimo a spostarsi a causa della relatività del moto.
Il red shift cosmologico, invece, è dovuto all’espansione dell’universo. Si tratta di un concetto più complesso, secondo il quale sorgenti di luce, se sufficientemente lontane (qualche milione di anni luce), mostrano uno spostamento verso il rosso che corrisponde precisamente alla crescita della loro distanza dal nostro pianeta. In particolare, quello che si può rilevare, è la rapidità di questo allontanamento. La differenza sostanziale tra queste due prime sotto-categorie di effetto batocromo è che l’effetto Doppler non ha legami con l’espansione dell’universo, ma esclusivamente con oggetti e la loro dilatazione nello spazio. Nell’ambito cosmologico, invece, il red shift richiede una corretta interpretazione, e i suoi valori vanno da zero a infinito, risultando corrispondenti alla velocità delle galassie nulla e uguale a quella della luce. Inoltre, nel caso di red shift di tipo cosmologico, è evidente come la velocità non possa superare quella della luce, mentre nell’altra situazione, grazie alla presenza della relatività, non è presente un limite. Il red shift osservato in astronomia può essere facilmente misurato in quanto gli spettri di emissione e di assorbimento degli atomi sono stati distinti e conosciuti grazie a vari esperimenti spettroscopici. Questa operazione spesso richiede un’intensità luminosa sufficiente, motivo per il quale è possibile, in alcuni casi, doversi accontentare di una misura fotometrica.
Lo spostamento verso il rosso di tipo gravitazionale è la terza tipologia di red shift identificata. Consiste nello spostamento relativo in termini di frequenza di un’onda elettromagnetica a causa della forza di gravità esercitata da un oggetto compatto. La luce, così come altre radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d’onda, quando viene originata da una sorgente caratterizzata da un intenso campo gravitazionale, perde energia a mano a mano che risale questo campo. L’energia è strettamente legata alla lunghezza d’onda, quindi l’effetto provocato è una diminuzione di questa frequenza e l’aumento della lunghezza stessa. Nella frequenza del visibile appare come uno spostamento verso la parte rossa (estremo inferiore) dello spettro elettromagnetico. Ci sono alcuni aspetti importanti da tenere in considerazione. Primo fra tutti, il punto finale della ricezione deve essere disposto a un potenziale gravitazionale maggiore. In pratica, l’osservatore non può essere situato a un potenziale gravitazionale minore (in questo caso si va incontro ad uno spostamento verso il blu). Inoltre, ogni teoria comprendente la conservazione dell’energia e l’equivalenza massa-energia include il red shift.