Efecto Doppler

Hoy vamos a hablar de uno de los principales teoremas de la física y astrofísica modernas, que además no esconde ninguna dificultad a la hora de ser explicado a casi cualquier tipo de público. Es el efecto Doppler, causante de los fenómenos conocidos como corrimiento al rojo Doppler y corrimiento al azul Doppler. Este consiste en el aparente cambio de frecuencia de una onda en relación a la velocidad del observador con respecto a la fuente de emisión en dicha onda.

En el sonido.

Como en cualquier onda, se produce un efecto Doppler dependiendo de la velocidad del observador (con respecto a la fuente de emisión, esto es tomando a la fuesnte como punto de referencia). Se puede comprobar que si nos acercamos hacia una fuente de sonido F a una velocidad v_o , el sonido que percibiremos será algo más agudo que si nos encontrásemos en reposo. Esto es porque la onda no la recibiremos a v (velocidad de propagación) sino a v+v_o, debido a esto y a que la longitud de onda seguirá siendo una constante. Entonces aplicando

Tenemos que:

luego: f_r>f.

Por tanto la frecuencia a la que recibamos (f_r=frecuencia relativa) la onda será aparentemente
mayor a la real. El mismo efecto tiene lugar al alejarnos de la fuente de emisión a una velocidad v_o, por tanto recibiremos un sonido más grave que el original.

 luego: f_r<f

Podemos hacer un sencillo experimento para comprobar esto, en una calle cuando se aproxime una ambulancia con la sirena, corremos en su dirección (por la acera) y en el momento en que se empiece a alejar de nosotros el sonido que percibiremos será más grave que antes.

En la luz

Como descubrió Hippolyte Fizeau en 1842, este efecto se da también en ondas electromagnéticas, como es la luz. En concreto si trabajamos con la luz visible, al acercarnos a la fuente, la onda aumentará su frecuencia aparente, desplazando la luz hacia el color azul (el que tiene mayor frecuencia), este efecto se denomina corrimiento al azul Doppler o blueshift. El caso contrario, que nos alejemos, produce el corrimiento al rojo Doppler o redshift. Este efecto es muy difícil de apreciar en la vida cotidiana, ya que existe una enorme diferencia de magnitud entre nuestra velocidad y la de la luz.

Sin embargo, si nos fijamos, existe una manera de apreciar el efecto Doppler en nuestra vida. Teniendo en cuenta que el universo se encuentra en expansión, todos los objetos se alejan unos de otros, luego debería existir un redshift entre ellos. Efectivamente esto ocurre  al contemplar el cielo, casi todas las luces del firmamento nos llegan en una frecuencia corrida al rojo.

Sin duda todos hemos oído hablar de los “residuos” del big bang que llegan a la tierra en forma de radiación de fondo de microondas, bien, pues llegan en ese formato debido a que han sufrido un efecto Doppler muy fuerte.

Efecto Doppler relativista.

Sin embargo, a veces el efecto Doppler no se debe únicamente al acercamiento o alejamiento del observador respecto a la fuente, existen otros fenómenos que pueden causar efectos parecidos. Estos fenómenos son la expansión métrica del espacio, ya que al expandirse el espacio que ocupa la onda esta se dilata y la dilatación temporal debido a la fuerza gravitacional. Este último se llama efecto Doppler relativista y explica los fenómenos; corrimiento al rojo gravitacional y corrimiento al azul gravitacional, causados por la dilatación temporal ocurrida cerca de objetos supermasivos (es decir “atraen” a la onda causando un descenso de velocidad). Cerca de un agujero negro el efecto es tan fuerte que la onda “cae” hacia él.