Deplasarea spre roșu, denumită în engleză redshift, reprezintă unul dintre cele mai importante fenomene observabile din astronomie și cosmologie. Ea constituie un instrument fundamental pentru înțelegerea dinamicii Universului, a expansiunii cosmice și a distanțelor intergalactice.
Conceptul descrie creșterea lungimii de undă a radiației electromagnetice emise de un obiect cosmic, fenomen care conduce la deplasarea spectrului de radiație către domeniul roșu al spectrului vizibil. Prin măsurarea deplasării spre roșu, astronomii pot determina nu doar viteza de recesiune a galaxiilor, ci și istoria expansiunii Universului.
În termeni fizici, deplasarea spre roșu reprezintă creșterea lungimii de undă (λ) observate în comparație cu lungimea de undă emisă (λ0). Fenomenul este observabil nu doar în domeniul vizibil, ci în întreg spectrul electromagnetic – de la unde radio la raze X. În funcție de mecanismul care o generează, deplasarea spre roșu poate fi de trei tipuri: Doppler, gravitațională și cosmologică.
Deplasarea spre roșu Doppler și mișcarea relativă a corpurilor
Deplasarea spre roșu de tip Doppler este analogă cu efectul acustic cunoscut la sunetul unei sirene care se îndepărtează. Când o sursă de lumină se îndepărtează de observator, undele electromagnetice sunt „întinse”, crescând astfel lungimea lor de undă.
Această formă de redshift este folosită pentru a măsura mișcările stelelor, ale exoplanetelor sau ale norilor interstelari. Spre exemplu, variațiile periodice în deplasarea spectrală a unei stele pot indica prezența unei planete care o orbitează, fenomen folosit pe scară largă în detecția exoplanetelor.
Deplasarea spre roșu gravitațională
Conform teoriei generale a relativității formulate de Albert Einstein, radiația electromagnetică ce părăsește un câmp gravitațional puternic pierde energie. Această pierdere se manifestă sub forma creșteriiungimii de undă, adică o deplasare spre roșu.
Deplasarea spre roșu gravitațională a fost observată pentru prima dată în 1959 în experimentul Pound–Rebka, desfășurat la Universitatea Harvard, care a confirmat predicțiile relativiste. Fenomenul este astăzi detectabil și în spectrul stelelor compacte, precum piticele albe și stelele neutronice, unde câmpurile gravitaționale sunt suficient de intense pentru a produce efecte măsurabile.
În plus, deplasarea spre roșu gravitațională joacă un rol esențial în studiul găurilor negre, unde radiația provenită din materia aflată la marginea orizontului de evenimente este extrem de „roșie”, apropiindu-se de limitele observabilului.
Deplasarea spre roșu cosmologică și expansiunea Universului
Cea mai importantă categorie de deplasare spre roșu este cea cosmologică, asociată expansiunii spațiului însuși. Spre deosebire de cazul Doppler, aici nu este vorba despre o mișcare propriu-zisă prin spațiu, ci despre întinderea metricii spațiu-timpului.
Conform teoriei Big Bang-ului și modelului cosmologic ΛCDM, Universul se află într-o expansiune continuă de aproximativ 13,8 miliarde de ani. Pe măsură ce spațiul se dilată, și lungimile de undă ale fotonilor care călătoresc prin el se măresc în mod proporțional.
Exemple și aplicații în observațiile astronomice
Cele mai îndepărtate galaxii cunoscute prezintă deplasări spre roșu extreme, unele având
z>10, ceea ce înseamnă că le observăm așa cum erau la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang. Telescoapele moderne, precum Telescopul Spațial James Webb (JWST), au detectat astfel de galaxii timpurii, oferind informații esențiale despre formarea primelor structuri cosmice.
De asemenea, radiația cosmică de fond(CMB), descoperită în 1965 de Penzias și Wilson, reprezintă un caz extrem de redshift: fotonii emiși la aproximativ 380.000 de ani după Big Bang, cu o temperatură inițială de circa 3000 K, au fost „înroșiți” până la o temperatură medie actuală de 2,725 K, din cauza expansiunii universale.
Deplasarea spre roșu este utilizată și pentru determinarea distanțelor cosmologice, vârstei Universului, precum și pentru studii privind materia întunecată și energia întunecată, componentele dominante ale cosmosului.
Implicații cosmologice și dezbateri actuale
Deplasarea spre roșu nu este doar un fenomen observabil, ci și o sursă de întrebări teoretice fundamentale. Măsurătorile precise ale lui z pentru supernovele de tip Ia au dus, la sfârșitul anilor 1990, la descoperirea accelerării expansiunii Universului – un rezultat neașteptat care a condus la introducerea conceptului de energie întunecată.
Totuși, interpretarea deplasării spre roșu nu este lipsită de controverse. De-a lungul timpului, au existat ipoteze alternative, precum cea a „oboselii luminii” (tired light), care sugera că fotonii își pierd energia în timpul călătoriei cosmice. Această teorie a fost însă respinsă datorită observațiilor consistente cu modelul de expansiune spațială.
Astăzi, studiul deplasărilor spre roșu continuă să fie un domeniu activ al cosmologiei observaționale, fiind esențial pentru cartografierea structurilor mari ale Universului, pentru testarea teoriei relativității generale și pentru determinarea parametrilor cosmologici fundamentali.