Efectul Doppler

Acelaşi fenomen care are loc atunci când se schimbă intensitatea sunetului unei sirene de ambulanţă în mişcare îi ajută pe astronomi să localizeze şi să studieze planete de la mare distanţă. Astronomii pot detecta o exoplanetă prin schimbările efectului Doppler.

Aceste schimbări au loc datorită exercitării forţei gravitaţionale a unei planete asupra stelei-gazdă. Aceste schimbări sunt văzute ca modificări de culoare roşie sau albastră în spectrul luminii emise de stea.

Mulţi dintre studenţi învaţă despre efectul Doppler la orele de fizică, ca parte dintr-o discuţie cu privire la motivul pentru car intensitatea sunetului unei sirene de ambulanţă creşte când aceasta se apropie, dar scade odată ce ambulanţa trece. Efectul Doppler este folositor şi în alte discipline ştiinţifice, inclusiv şi în ştiinţa ce studiază planetele: astronomii se bazează pe efectul Doppler pentru a detecta planete din afara sistemului solar, cunoscute şi sub denumirea de exoplanete. Din 473 exoplanete cunoscute, 442 au fost descoperite folosind efectul Doppler, care ajută savanţii şi să descopere noi detalii despre planetele recent găsite.

Efectul Doppler sau schimbarea Doppler, descrie schimbările în frecvenţa oricărui tip de sunet sau undă de lumină produse de sursa în mişcare faţă de un observator. Unda emisă de un obiect ce se îndreaptă spre un observator devine tot mai comprimată - astfel creşte frecvenţa - în timp ce se apropie de acesta. În contrast, undele emise de o sursă ce se depărtează de observator devin tot mai extinse, deci frecvenţa lor scade.

În astronomie, acea sursă poate fi o stea ce emite unde electromagnetice; din poziţia noastră, schimbările Doppler au loc în timp ce steaua orbitează în jurul propriului centru de greutate şi se apropie sau se depărtează de Pământ. Aceste schimbări ale lungimilor de undă pot fi percepute ca schimbări subtile în propriul spectru, curcubeul de culori emis de lumină. Când o stea se deplasează spre noi, lungimea de undă este comprimată şi spectrul său devine uşor mai albastru. Când o stea se depărtează de noi, spectrul său pare mai roşu.

Pentru a observa aşa-numita trecere spre roşu sau trecere spre albastru în timp, astronomii folosesc prisme de înaltă rezoluţie, ca instrumentele cunoscute drept spectografe, ce separă undele de lumină ce vin  în diferite culori. În orice strat exterior al unei stele, există atomi ce absorb lumina  la anumite lungimi de undă, şi această absorbţie apare ca linii întunecate între diferitele culori din spectrul stelei, ce sunt înregistrate din lumina emisă de stea. Cercetătorii folosesc schimbările acestor  linii ca marcatori, cu ajutorul cărora se stabileşte dimensiunea schimbării Doppler.

Dacă există doar steaua – adică, dacă nu există nici o altă exoplanetă sau o altă stea în sistem – atunci nu va fi nici o schimbare în timp a modelului efectului Doppler. Dar dacă există o exoplanetă sau o altă stea în sistem, atracţia gravitaţională a acestui corp neobservat, va perturba mişcarea stelei pe anumite porţiuni din orbită, producând transformări notabile în timp ale modelului şi mărimii efectului Doppler. Cu alte cuvinte, modelul efectului Doppler se poate modifica în timp ca rezultat al afectării mişcării stelei de către gravitaţie. „Dacă această schimbare este mare, este produsă de către gravitaţia altei stele, iar dacă schimbarea este mică, atunci cel mai probabil este produsă de către un corp cu masă mică, cum ar fi o exoplanetă”, explică Joshua Winn, asistent profesor la Departamentul de Fizică din cadrul MIT. Ca parte din munca lui la Kavli Institutul pentru Astrofizică şi Cercetare Spaţială de la MIT, Winn cercetează relaţia dintre orbita unei exoplanete şi rotaţia stelei-mamă pentru a găsi indicii despre cum s-au format planetele.

Cum efectul Doppler al unei planete se modifică în timp, poate fi observată în perioada de orbitare a planetei (durata  „anului” său), forma orbitei şi masa sa minimă posibilă. Recent, Simon Albrecht a utilizat efectul Doppler pentru a detecta schimbările de culori în lumina absorbită de o exoplanetă, schimbări ce indică vânturi puternice în atmosfera planetei.

Schimbările Doppler sunt folosite în multe alte discipline, pe lângă astronomie. Trimiţând impulsuri radar în atmosferă şi studiind schimbările lungimii de undă ce se întoarce înapoi, meteorologii folosesc efectul Doppler pentru a detecta apa din atmosferă. Fenomenul Doppler este folosit şi în medicină la ecocardiograme, ce trimit impulsuri de ultrasunete prin corpul uman pentru a  măsura schimbările din circulaţia sângelui şi pentru a afla astfel dacă valvele inimii funcţionează corect sau dacă suferim de boli vasculare.

Poliţia se bazează de asemenea pe efectul Doppler când foloseşte un aparat radar, care întâi trimite o undă radio spre maşina ta şi apoi recepţionează o undă radio provenită de la maşină; schimbarea de frecvenţă între raza trimisă şi cea reflectată ajută la măsurarea vitezei maşinii.