Redshift
In physics (especially the physics of astronomical objects), redshift happens when light seen coming from an object is proportionally shifted to appear more red. Here, the term "redder" refers to what happens when visible light is shifted toward the red end of the visible spectrum. More generally, where an observer detects electromagnetic radiation outside the visible spectrum, "redder" amounts to a technical shorthand for "increased in electromagnetic wavelength" — which also implies lower frequency and photon energy in accord with, respectively, the wave and quantum theories of light.
Redshifts are attributable to three different physical effects. The first discovered was the Doppler effect, familiar in the changes in the apparent pitches of sirens and frequency of the sound waves emitted by speeding vehicles; an observed redshift due to the Doppler effect occurs whenever a light source moves away from an observer. Cosmological redshift is seen due to the expansion of the universe, and sufficiently distant light sources (generally more than a few million light years away) show redshift corresponding to the rate of increase of their distance from Earth. Finally, gravitational redshifts are a relativistic effect observed in electromagnetic radiation moving out of gravitational fields. Conversely, a decrease in wavelength is called blue shift and is generally seen when a light-emitting object moves toward an observer or when electromagnetic radiation moves into a gravitational field.
Although observing redshifts and blue shifts have several terrestrial applications (e.g., Doppler radar and radar guns), redshifts are most famously seen in the spectroscopic observations of astronomical objects.
A special relativistic redshift formula (and its classical approximation) can be used to calculate the redshift of an object when spacetime is flat. However, many cases such as black holes and Big Bang cosmology require that redshifts be calculated using general relativity. Special relativistic, gravitational, and cosmological redshifts can be understood under the umbrella of frame transformation laws. There exist other physical processes that can lead to a shift in the frequency of electromagnetic radiation, including scattering and optical effects; however, the resulting changes are distinguishable from true redshift and not generally referred as such. (See section on physical optics and radiative transfer).
The history of the subject began with the development in the 19th century of wave mechanics and the exploration of phenomena associated with the Doppler effect. The effect is named after Christian Andreas Doppler, who offered the first known physical explanation for the phenomenon in 1842. The hypothesis was tested and confirmed for sound waves by the Dutch scientist Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot in 1845. Doppler correctly predicted that the phenomenon should apply to all waves, and in particular suggested that the varying colors of stars could be attributed to their motion with respect to the Earth. While this attribution turned out to be incorrect (stellar colors are indicators of a star's temperature, not motion), Doppler would later be vindicated by verified redshift observations.
The first Doppler redshift was described in 1848 by French physicist Armand-Hippolyte-Louis Fizeau, who pointed to the shift in spectral lines seen in stars as being due to the Doppler effect. The effect is sometimes called the "Doppler-Fizeau effect". In 1868, British astronomer William Huggins was the first to determine the velocity of a star moving away from the Earth by this method.
In 1871, optical redshift was confirmed when the phenomenon was observed in Fraunhofer lines using solar rotation, about 0.1 Å in the red. In 1901 Aristarkh Belopolsky verified optical redshift in the laboratory using a system of rotating mirrors.
The earliest occurrence of the term "red-shift" in print (in this hyphenated form), appears to be by American astronomer Walter S. Adams in 1908, where he mentions "Two methods of investigating that nature of the nebular red-shift". The word doesn't appear unhyphenated, perhaps indicating a more common usage of its German equivalent, Rotverschiebung, until about 1934 by Willem de Sitter.
Beginning with observations in 1912, Vesto Slipher discovered that most spiral nebulae had considerable redshifts. Subsequently, Edwin Hubble discovered an approximate relationship between the redshift of such "nebulae" (now known to be galaxies in their own right) and the distance to them with the formulation of his eponymous Hubble's law. These observations corroborated Alexander Friedman's 1922 work, in which he derived the famous Friedmann equations. They are today considered strong evidence for an expanding universe and the Big Bang theory.
The spectrum of light that comes from a single source (see idealized spectrum illustration top-right) can be measured. To determine the redshift, one searches for features in the spectrum such as absorption lines, emission lines, or other variations in light intensity. If found, these features can be compared with known features in the spectrum of various chemical compounds found in experiments where that compound is located on earth. A very common atomic element in space is hydrogen. The spectrum of originally featureless light shone through hydrogen will show a signature spectrum specific to hydrogen that has features at regular intervals. If restricted to absorption lines it would look similar to the illustration (top right). If the same pattern of intervals is seen in an observed spectrum from a distant source but occurring at shifted wavelengths, it can be identified as hydrogen too. If the same spectral line is identified in both spectra but at different wavelengths then the redshift can be calculated using the table below. Determining the redshift of an object in this way requires a frequency- or wavelength-range. In order to calculate the redshift one has to know the wavelength of the emitted light in the rest frame of the source, in other words, the wavelength that would be measured by an observer located adjacent to and comoving with the source. Since in astronomical applications this measurement cannot be done directly, because that would require travelling to the distant star of interest, the method using spectral lines described here is used instead. Redshifts cannot be calculated by looking at unidentified features whose rest-frame frequency is unknown, or with a spectrum that is featureless or white noise (random fluctuations in a spectrum).
Redshift (and blue shift) may be characterized by the relative difference between the observed and emitted wavelengths (or frequency) of an object. In astronomy, it is customary to refer to this change using a dimensionless quantity called z. If λ represents wavelength and f represents frequency (note, λf = c where c is the speed of light), then z is defined by the equations:
Calculation of redshift, z
After z is measured, the distinction between redshift and blue shift is simply a matter of whether z is positive or negative. See the formulae section below for some basic interpretations that follow when either a redshift or blue shift is observed. For example, Doppler effect blue shifts (z <> 0) are associated with objects receding (moving away) from the observer with the light shifting to lower energies. Likewise, gravitational blue shifts are associated with light emitted from a source residing within a weaker gravitational field observed within a stronger gravitational field, while gravitational redshifting implies the opposite conditions.
Redshift (spostamento verso il rosso)
A causa dell'espansione dell'Universo, tutte le galassie, compresa la nostra, si stanno allontanando le une dalle altre e i segnali che provengono da esse arrivano sulla Terra con un incremento della lunghezza d'onda rispetto a quando sono stati emessi. Tale fenomeno si chiama 'redshift' perché nel visibile produce uno spostamento verso il colore rosso dei segnali elettromagnetici emessi dalle galassie. L'effetto è tanto maggiore quanto più velocemente le galassie si allontanano, quindi quanto più esse sono lontane. Il redshift si calcola piuttosto facilmente misurando la differenza tra la lunghezza d'onda dei segnali in arrivo dalle galassie e quella delle analoghe emissioni prodotte in laboratorio. Conoscendo il tasso di espansione attuale dell'Universo, la misura del redshift permette di valutare l'epoca delle galassie osservate, cioè il tempo impiegato dalla luce delle galassie per raggiungere la Terra. Per facilitare il calcolo di grandi redshift si utilizzano filtri con cui si ottengono immagini di diversi colori, in cui le galassie più distanti risaltano rispetto al fondo costituito dalle galassie vicine. orologi
Approfondiamo l'argomento, perché bisogna dargli la giusta interpretazione.
La cosmologia moderna nasce con la legge di Hubble v=Hd, che lega in modo proporzionale la velocità v di allontanamento delle galassie alla loro distanza d (H è la costante di Hubble): le galassie più distanti si allontanano più velocemente. Questa legge deriva da osservazioni che mostravano che tutte le righe spettrali delle galassie sono spostate verso il rosso (redshift) e che tale effetto è proporzionale alla luminosità apparente delle galassie, legata alla loro distanza. Il redshift misura quindi la velocità di allontanamento di una galassia ed è definito come segue:
z=(loss–lem)/lem
dove loss e lem sono rispettivamente la lunghezza d'onda della radiazione osservata al telescopio e quella di analoghe emissioni prodotte in laboratorio. I valori di z vanno da zero a infinito e per piccoli valori si ha l'approssimazione z≈v/c, con c velocità della luce nel vuoto. Per grandi valori di z, la relazione tra il redshift e la velocità di allontanamento delle galassie è più complessa e tiene conto delle correzioni relativistiche. Per piccole velocità i redshift nei due casi coincidono, perché le differenze sono incluse negli errori sperimentali. Si ha che z=0 corrisponde a v=0 e z infinito corrisponde a v=c.
Il redshift va interpretato nel modo giusto. L'effetto è analogo a quello per cui la lunghezza d'onda (o, equivalentemente, la frequenza) di una sorgente sonora o luminosa aumenta o diminuisce a seconda se essa si allontana o si avvicina da noi, noto come effetto Doppler. Un esempio tipico è la percezione che si ha nell'avvicinamento e nell'allontanamento di una sirena o di una moto: si avverte un suono più acuto via via che la sorgente sonora si avvicina e meno acuto quando si allontana. Il redshift delle galassie va però inquadrato nella giusta collocazione cosmologica e non può essere fatto derivare dall'effetto Doppler, che non ha niente a che fare con l'espansione dell'Universo, perché descrive soltanto l'allontanamento di oggetti nello spazio e non di oggetti (galassie) che si dilatano con lo spazio. Il redshift è il risultato dello stiramento dello spazio-tempo; anche la luce ne subisce l'effetto. Per la descrizione dell'effetto Doppler è sufficiente utilizzare la geometria euclidea e la relatività ristretta; nel caso dell'espansione dell'Universo la teoria giusta è invece la relatività generale, che lega la presenza di materia alla geometria dello spazio. Questo punto è molto importante e spesso non è sottolineato nel modo corretto.
Nella relatività generale, gli oggetti si considerano depositati nello spazio, e lo spazio si espande: bisogna pertanto studiare con quale legge lo spazio si espande e gli opportuni parametri cosmologici. Si ha una differenza concettuale e numerica molto netta tra il caso dello spazio euclideo statico in cui gli oggetti si allontanano e il caso in cui gli oggetti stanno nello spazio (lo spazio-tempo) che si allontana. Il punto importante è che nel calcolo del redshift considerato come derivante dall'effetto Doppler e con l'uso della relatività ristretta, la velocità non può superare quella della luce. In realtà, studiando l'Universo non si possono usare le formule della relatività ristretta, perché l'Universo non è un unico sistema inerziale: si possono individuare tanti sistemi inerziali, separati gli uni dagli altri, in ciascuno dei quali la velocità non può superare quella della luce, ma un sistema inerziale può andare a qualsivoglia velocità rispetto a un altro. Nella relatività generale non c'è un limite alla velocità di espansione dell'Universo, che può tranquillamente superare la velocità della luce (perché, si ripete, non siamo in presenza di un movimento reale tra oggetti, ma di una dilatazione dello spazio tra essi). Se si imposta un limite alla velocità massima raggiungibile, la formula che ne deriva è inevitabilmente quella dell'effetto Doppler. Anche la versione relativistica di questa formula prevede sempre v minore di c, quindi è scorretto utilizzarla per il calcolo della velocità di espansione dell'Universo (la formula giusta prevede l'uso di parametri cosmologici).
Esiste quindi una profonda distinzione tra quello che ha osservato Hubble e la successiva interpretazione in termini di relatività generale. Per redshift piccoli le cose vanno bene, sia in relatività ristretta sia in relatività generale: in pratica si ha uno spazio euclideo quasi statico e le cose coincidono. Un punto chiave della cosmologia moderna è che sino a redshift dell'ordine di 1, dove sono state fatte misure abbastanza accurate di distanze, non si è in grado di distinguere un'espansione nello spazio-tempo da un allontanamento.
Il redshift va interpretato nel modo giusto. L'effetto è analogo a quello per cui la lunghezza d'onda (o, equivalentemente, la frequenza) di una sorgente sonora o luminosa aumenta o diminuisce a seconda se essa si allontana o si avvicina da noi, noto come effetto Doppler. Un esempio tipico è la percezione che si ha nell'avvicinamento e nell'allontanamento di una sirena o di una moto: si avverte un suono più acuto via via che la sorgente sonora si avvicina e meno acuto quando si allontana. Il redshift delle galassie va però inquadrato nella giusta collocazione cosmologica e non può essere fatto derivare dall'effetto Doppler, che non ha niente a che fare con l'espansione dell'Universo, perché descrive soltanto l'allontanamento di oggetti nello spazio e non di oggetti (galassie) che si dilatano con lo spazio. Il redshift è il risultato dello stiramento dello spazio-tempo; anche la luce ne subisce l'effetto. Per la descrizione dell'effetto Doppler è sufficiente utilizzare la geometria euclidea e la relatività ristretta; nel caso dell'espansione dell'Universo la teoria giusta è invece la relatività generale, che lega la presenza di materia alla geometria dello spazio. Questo punto è molto importante e spesso non è sottolineato nel modo corretto.
Nella relatività generale, gli oggetti si considerano depositati nello spazio, e lo spazio si espande: bisogna pertanto studiare con quale legge lo spazio si espande e gli opportuni parametri cosmologici. Si ha una differenza concettuale e numerica molto netta tra il caso dello spazio euclideo statico in cui gli oggetti si allontanano e il caso in cui gli oggetti stanno nello spazio (lo spazio-tempo) che si allontana. Il punto importante è che nel calcolo del redshift considerato come derivante dall'effetto Doppler e con l'uso della relatività ristretta, la velocità non può superare quella della luce. In realtà, studiando l'Universo non si possono usare le formule della relatività ristretta, perché l'Universo non è un unico sistema inerziale: si possono individuare tanti sistemi inerziali, separati gli uni dagli altri, in ciascuno dei quali la velocità non può superare quella della luce, ma un sistema inerziale può andare a qualsivoglia velocità rispetto a un altro. Nella relatività generale non c'è un limite alla velocità di espansione dell'Universo, che può tranquillamente superare la velocità della luce (perché, si ripete, non siamo in presenza di un movimento reale tra oggetti, ma di una dilatazione dello spazio tra essi). Se si imposta un limite alla velocità massima raggiungibile, la formula che ne deriva è inevitabilmente quella dell'effetto Doppler. Anche la versione relativistica di questa formula prevede sempre v minore di c, quindi è scorretto utilizzarla per il calcolo della velocità di espansione dell'Universo (la formula giusta prevede l'uso di parametri cosmologici).
Esiste quindi una profonda distinzione tra quello che ha osservato Hubble e la successiva interpretazione in termini di relatività generale. Per redshift piccoli le cose vanno bene, sia in relatività ristretta sia in relatività generale: in pratica si ha uno spazio euclideo quasi statico e le cose coincidono. Un punto chiave della cosmologia moderna è che sino a redshift dell'ordine di 1, dove sono state fatte misure abbastanza accurate di distanze, non si è in grado di distinguere un'espansione nello spazio-tempo da un allontanamento.
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