300px|thumb|Universo observable con corrimiento al rojo de z=0.01 a z=1089 miniaturadeimagen|Corrimiento al rojo de las líneas espectrales en el espectro visible de un supercúmulo de galaxias distantes (derecha), comparado con el del Sol (izquierda). La longitud de onda se incrementa hacia el rojo y más allá. miniaturadeimagen|Corrimiento al rojo o al azul en función del movimiento relativo entre el objeto emisor y el observador. miniaturadeimagen|Figura ilustrando el corrimiento al rojo de tipo gravitacional.
En física y astronomía, el corrimiento al rojo, acercamiento hacia el rojo o desplazamiento hacia el rojo () es un fenómeno que ocurre cuando la radiación electromagnética que se emite o refleja desde un objeto, normalmente la luz visible, aparece desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético. De manera más general, el corrimiento al rojo es definido como un incremento en la longitud de onda de radiación electromagnética recibida por un detector comparado con la longitud de onda emitida por la fuente. Ese incremento en la longitud de onda se corresponde con un decrecimiento en la frecuencia de la radiación electromagnética. De forma análoga, el decrecimiento en la longitud de onda es llamado corrimiento al azul.
Cualquier incremento en la longitud de onda se llama corrimiento hacia el rojo, incluso aunque ocurra en regiones del espectro correspondientes a radiaciones electromagnéticas no visibles, como los rayos gamma, los rayos X o la radiación ultravioleta. La denominación puede ser confusa ya que a longitudes de onda mayores que el rojo (p.ej., infrarrojo, microondas y ondas de radio), los desplazamientos hacia el rojo en realidad se alejan de la longitud de onda correspondiente al rojo. Aun así, hablar de frecuencias de ondas menores que el rojo continúa significando que la longitud de onda tiende a alargarse y no a asemejarse al rojo.
Un corrimiento hacia el rojo puede ocurrir cuando una fuente de luz se aleja de un observador, correspondiéndose a un desplazamiento Doppler que cambia la frecuencia percibida de las ondas sonoras. Aunque la observación de tales desplazamientos hacia el rojo —o su equivalente hacia el azul— tiene numerosas aplicaciones terrestres (p.ej., radar Doppler y pistola radar),Ver Feynman, Leighton y Sands (1989) o una introducción para estudiantes universitarios (y muchos institutos). Ver Taylor (1992) para una discusión relativista. la espectroscopia astronómica utiliza los corrimientos al rojo Doppler para determinar el movimiento de objetos astronómicos distantes.Ver Binney y Merrifeld (1998), Carroll y Ostlie (1996), Kutner (2003) para aplicaciones astronómicas. Este fenómeno fue predicho por primera vez y observado en el cuando los científicos empezaron a considerar las implicaciones dinámicas de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Otro mecanismo de corrimiento hacia el rojo es la expansión métrica del espacio, que explica la famosa observación de los corrimientos al rojo espectrales de las galaxias distantes, los cuásares y las nubes gaseosas intergalácticas, que se incrementan proporcionalmente con su distancia al observador. Este mecanismo es una característica clave del modelo del Big Bang de la cosmología física.Ver Misner, Thorne y Wheeler (1973) y Weinberg (1971) o cualquier libro de texto de cosmología física.
Un tercer tipo de corrimiento al rojo, el corrimiento al rojo gravitacional (también conocido como efecto Einstein), es el que ocurre como resultado de la dilatación del tiempo que se da cerca de objetos masivos, de acuerdo con la relatividad general.Ver Misner, Thorne y Wheeler (1973) y Weinberg (1971).
Estos tres fenómenos se pueden comprender bajo el paraguas de leyes de transformación de marcos. Hay otros muchos mecanismos con descripciones físicas y matemáticas muy diferentes que pueden conducir a un desplazamiento en la frecuencia de radiación electromagnética y cuyas acciones pueden ocasionalmente ser conocidas como «desplazamiento al rojo», incluyendo la dispersión y varios efectos ópticos.
En astronomía, es habitual referirse a este cambio de longitud de onda utilizando una magnitud adimensional denotada por .
Historia
La historia del corrimiento al rojo empezó con el desarrollo en el de la mecánica ondulatoria y el estudio del fenómeno asociado con el efecto Doppler, un efecto llamado así después de que Christian Andreas Doppler ofreciera la primera explicación física conocida para el fenómeno en 1842.Doppler, Christian, "Beitrage zur fixsternenkunde" (1846), Prag, Druck von G. Haase sohne. La hipótesis fue probada y confirmada mediante ondas sonoras por el científico neerlandés Christophorus Buys Ballot en 1845.Dev Maulik, "Doppler Sonography: A Brief History" en Doppler Ultrasound in Obstetrics And Gynecology (2005) por Dev (EDT) Maulik, Ivica Zalud. Doppler predijo correctamente que el fenómeno debería aplicarse a todas las ondas y en particular sugirió que la variación de los colores de las estrellas podía ser atribuida a su movimiento con respecto a la Tierra.Biografía de Christian Doppler en McTuttor. Mientras que esta atribución terminó siendo incorrecta (los colores de las estrellas son indicadores de la temperatura, no del movimiento), Doppler sería posteriormente reivindicado por la verificación de observaciones del corrimiento al rojo.
El primer corrimiento al rojo Doppler fue descrito en 1848 por el físico francés Hippolyte Fizeau, que indicó que el desplazamiento observado en las líneas espectrales de las estrellas era debido al efecto Doppler. Por ello el efecto es llamado algunas veces «efecto Doppler-Fizeau». En 1868 el astrónomo británico William Huggins fue el primero en determinar la velocidad de una estrella que se alejaba de la Tierra mediante este método.William Huggins, "Observaciones adicionales en el Espectro de algunas Estrellas y Nebuloas, con un Intento de Determinar si Estos Cuerpos se están moviendo hacia o desde la Tierra, También Observaciomes del Espectro del Sol y del Cometa II." (1868) Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Volumen 158, pp. 529-564.
En 1871 el corrimiento al rojo óptico se confirmó cuando el fenómeno fue observado en las líneas de Fraunhofer utilizando la rotación solar, a unos 0.1 Å del rojo.Reber, G., "Plasma Intergaláctico"(1995) Astrofísica y Ciencia Espacial, v. 227, p. 93-96. En 1901 Aristarj Belopolsky verificó el corrimiento al rojo óptico en el laboratorio utilizando un sistema de rotación especular.Bélopolsky, A., "Un Aparato para la Demostración en Laboratorio del Principio Doppler-Fizeau" (1901) Astrophysical Journal, vol. 13, p.15
La primera aparición de la expresión «corrimiento al rojo» en la literatura científica fue debida al astrónomo estadounidense Walter Sidney Adams en 1908, donde menciona «dos métodos de investigación de la naturaleza del corrimiento al rojo nebular».Adams, Walter S., "No. 22. Catálogo preliminar de líneas afectadas por manchas solares" (1908) Contribuciones del observatorio de Monte Wilson / Instituto Carnegie de Washington, vol. 22, pp.1-21
Empezando con las observaciones en 1912, Vesto Slipher descubrió que muchas nebulosas espirales tenían considerables corrimientos al rojo.Primeros informes de Slipher de sus medidas en el volumen inaugural del Lowell Observatory Bulletin, pp. 2.56-2.57 . De su artículo tiltulado La velocidad radial de la Nebulosa de Andrómeda reporta haciendo la primera medida Doppler el 17 de septiembre de 1912. En su informe, Slipher escribe: "La magnitud de esta velocidad, que es el mayor observado hasta la fecha, aparece la pregunta de si la velocidad de desplazamiento no podría ser debida a otra causa, pero creo que no tenemos actualmente otra interpretación de ello." Tres años después, en la revista Popular Astronomy, Vol. 23, p. 21-24 , Slipher escribió una revisión titulada Observaciones espectrográficas de Nebulosas. En él afirma, "El descubrimiento anterior de que la gran espiral de Andrómeda tenía la velocidad excepcional de - 300 km/s demostraba que los medios entonces disponibles, eran capaces de investigar no sólo el espectro de las espirales sino también sus velocidades". Slipher reportó las celocidades de 15 espirales de nebulosas esparcidas a través de la entera esfera celeste, de todas sólo trea habían tenido observaciones de velocidad "positivas" (es decir recesivas). Posteriormente Edwin Hubble descubrió una relación aproximada entre el desplazamiento al rojo de tales "nebulosas" (ahora conocidas como galaxias) y la distancia a ellas con la formulación de su epónima ley de Hubble.Hubble, Edwin, "Una relación entre la Distancia y la Velocidad Radial entre Nebulosas Extra-Galáacticas" (1929) Proceedings de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, Volumen 15, Issue 3, pp. 168-173 (Artículo completo, PDF). Estas observaciones corroboraron el trabajo de Alexander Friedman de 1922, en que halló las famosas ecuaciones de Friedmann, demostrando, que el Universo podía expandirse y presentó la velocidad de expansión en ese caso.Friedman, A: Über die Krümmung des Raumes, Z. Phys. 10 (1922), 377-386. (Traducción al inglés en: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 1991-2000.) Hoy son consideradas fuertes pruebas para un Universo en expansión y la Teoría del Big Bang.Esto fue reconocido pronto por los físicos y los astrónomos que trabajan en cosmología en los años 1930. La primera publicación lagada describiendo los detallas de esta correspondencia fue el libro de Sir Arthur Eddington The Expanding Universe: Astronomy's 'Great Debate', 1900-1931, publicado por Press Syndicate of the University of Cambridge en 1933.
Medida, caracterización e interpretación Un corrimiento al rojo se puede medir mirando el espectro de la luz que viene de una fuente sencilla. Si hay características en este espectro tales como líneas de absorción, líneas de emisión u otras variantes de intensidad de la luz, entonces en principio se puede calcular el corrimiento hacia el rojo. Para ello, se necesita la comparación del espectro observado con un espectro conocido de características similares. Por ejemplo, el hidrógeno, cuando está expuesto a la luz, tiene un espectro que muestra características a intervalos regulares. Si se observa el mismo patrón de intervalos en un espectro observado pero que ocurre a longitudes de onda desplazadas, entonces se puede medir el corrimiento al rojo del objeto. Para determinar el desplazamiento hacia el rojo de un objeto por tanto requiere un rango de frecuencias o longitudes de onda. Los desplazamientos al rojo no pueden ser calculados observando características sin identificar cuyas frecuencias residuales son desconocidas o con un espectro que no tiene características o ruido blanco (fluctuaciones aleatorias en un espectro.Ver, por ejemplo, este artículo del 25 de mayo de 2004 del telescopio espacial Swift de la NASA que está investigando los GRBs: «En las medidas de espectros de rayos gamma obtenidos durante la principal emisión de las ráfagas de rayos gamma se han encontrado pequeños valores a modo de indicares de corrimiento al rojo, debidos a la falta de características bien definidas. sin embargo, las observaciones ópticas de la luminiscencia del GRB han producido especrtros con líneas identificables, conduciendo a medidas precisas del desplazamiento al rojo».
El corrimiento al rojo (y al azul) se pueden caracterizar por la diferencia relativa entre las longitudes de onda (o frecuencias) observadas y emitidas de un objeto. En astronomía, es habitual referirse a este cambio utilizando una magnitud adimensional llamada z. Si representa la longitud de onda f la frecuencia ( donde c es la velocidad de la luz, entonces z se define por las ecuaciones:
+ Medida del corrimiento al rojo, Basada en longitud de onda Basada en frecuencia