Em 25 de maio de 1842, Christian Doppler apresentou à Sociedade Real da Boêmia o seu livro “Sobre a luz colorida das estrelas duplas”, pelo qual se tornou famoso em todo o mundo.
O Efeito Doppler e as estrelas coloridas
Na época de Doppler, os físicos já conseguiam medir as frequências da luz (como uma oscilação eletromagnética). Eles observaram que a luz vermelha possui uma frequência menor (a partir de 390 THz, ou seja, 390 seguido de 12 zeros de oscilações por segundo) do que a luz azul (até 770 THz).
Como cada elemento químico emite (ou absorve) luz em frequências específicas, a separação da luz (por prismas de vidro ou redes de difração) nessas “linhas espectrais” é uma técnica importante para o estudo das estrelas.
Quanto mais rápido uma estrela se afasta de nós, mais a sua luz é deslocada para frequências menores, ou seja, para o vermelho. As linhas espectrais de determinados elementos são então encontradas em frequências menores do que na Terra ou em estrelas mais próximas, como o Sol.
Quando o plano orbital de estrelas duplas está aproximadamente na nossa linha de visão, as estrelas, ao girarem em torno do seu centro de massa, movem-se periodicamente em direção a nós ou afastam-se de nós. Christian Doppler concluiu que, como resultado, a sua cor deveria mudar periodicamente. Este fenômeno e o cálculo da magnitude da variação constituem um característico “Efeito Doppler”.
Astronomia hoje: as possibilidades do Efeito Doppler
Hoje, com a ajuda do efeito Doppler, não só é possível calcular as velocidades das estrelas e galáxias em relação a nós, mas também suas distâncias, bem como os períodos de rotação e as massas de estrelas duplas. A medição precisa da órbita da estrela S2 ao redor do centro da nossa Via Láctea foi premiada com o Nobel em 2020 e comprovou a existência de um buraco negro com uma massa de mais de 4 milhões de massas solares. Com o efeito Doppler, também foi possível mostrar que estrelas que explodem como supernovas expulsam material a quase 10% da velocidade da luz.
A astronomia moderna seria impensável, ou mesmo impossível, sem as descobertas de Christian Doppler.
Contribuição de Dr. Julia Weratschnig, Haus der Natur, Curadora de Astronomia
O que o buraco negro no centro da Via Láctea revela sobre a gravidade
Sempre que o tema da astronomia é discutido, a conversa inevitavelmente se volta para os buracos negros. Os buracos negros são objetos de superlativos, que exercem um imenso fascínio. Na sua explicação, a física que conhecemos atinge os seus limites: são extremos em tudo o que podemos imaginar, uma vitória da gravidade sobre todas as outras forças da natureza. A matéria que cai num buraco negro desaparece para sempre além do horizonte de eventos. Para entender um buraco negro, precisaríamos unificar a teoria da relatividade e a física quântica: um objetivo que a física ainda não conseguiu alcançar.
O próprio Einstein duvidava de suas próprias previsões e acreditava que buracos negros não existiam no universo. Tais monstruosidades não deveriam existir. Mas no século XX, surgiram não apenas evidências de que os buracos negros existem, mas também de que não são objetos raros. E enquanto as evidências indiretas aumentavam ao longo dos anos, até que os astrônomos não pudessem mais duvidar da existência de buracos negros, em 2018 foi obtida a primeira imagem de rádio direta de um buraco negro. Esta imagem foi particularmente notável, pois correspondeu quase exatamente às previsões e simulações — mais uma evidência da precisão da teoria da relatividade geral.
Os buracos negros são objetos peculiares. Existem buracos negros estelares — remanescentes de estrelas após a explosão de supernova de uma estrela massiva; eles têm várias vezes a massa do Sol — e existem buracos negros supermassivos: verdadeiros gigantes de massa, que são várias milhões de vezes mais pesados que o nosso Sol. Os chamados “buracos negros intermediários”, que caem entre esses dois extremos, parecem ser muito raros.
Os astrônomos agora estão bastante seguros de que no centro de quase todas as galáxias existe um buraco negro supermassivo. Os astrônomos sabem disso, por um lado, a partir de observações de núcleos galácticos ativos de galáxias distantes — ativo significa que a matéria está caindo no buraco negro central, um processo que libera muita energia. O único processo que pode liberar essas quantidades de energia é a enorme gravidade dos buracos negros. Esses buracos negros, também chamados de quasares, são ironicamente alguns dos objetos mais brilhantes do universo.
Também na Via Láctea, a nossa galáxia natal, há um buraco negro supermassivo. Este objeto — a 26.000 anos-luz da Terra — está escondido da observação visual direta por gás e poeira densos. Além disso, o nosso buraco negro não está numa fase ativa — atualmente, não há grandes quantidades de matéria caindo nele. Portanto, observações diretas são difíceis. Sabemos da presença do buraco negro principalmente por meio de medições indiretas. Um pequeno grupo de estrelas orbita o buraco negro a velocidades muito altas: a estrela mais rápida desse grupo observado até agora atinge velocidades de até oito por cento da velocidade da luz!
Os astrônomos têm cada vez mais meios para explorar essas regiões ocultas: além da luz visível, infravermelho, ondas de rádio e raios gama oferecem à astronomia novas visões dos processos celestes. Assim, diferentes comprimentos de onda são usados para oferecer diferentes perspectivas sobre um determinado fenômeno.
Nos últimos anos, isso permitiu que as observações e detecções indiretas dos processos no centro galáctico fossem verificadas cada vez mais por observações diretas. O buraco negro no centro — ou melhor, aquela região espacial que acreditamos abrigar o buraco negro — é orbitado por várias estrelas que levam apenas alguns anos para completar uma órbita. Seus movimentos são observados com precisão usando telescópios de infravermelho. Enquanto a luz visível é absorvida pelas nuvens de poeira entre nós e o centro da Via Láctea, a radiação eletromagnética na faixa do infravermelho pode penetrar essas nuvens. Espera-se ver fortes efeitos da teoria da relatividade geral na região espacial ao redor de um buraco negro. O centro da Via Láctea é como um grande laboratório para a pesquisa gravitacional.
E o que tudo isso tem a ver com Christian Doppler?
O efeito Doppler, nomeado em homenagem a Christian Doppler, descreve a alteração do comprimento de onda em função do estado de movimento de uma fonte ou do receptor. Este efeito é bem conhecido do nosso dia a dia no caso de ondas sonoras, por exemplo, a mudança na altura do som da sirene de um carro de polícia em movimento. Na astronomia, a observação do efeito Doppler nas linhas espectrais da luz visível é usada para medir movimentos radiais em direção à Terra ou afastando-se dela. Muitas estrelas binárias e exoplanetas devem sua descoberta, entre outras coisas, ao efeito Doppler.
Linhas espectrais características existem não apenas na luz visível das estrelas, mas também em todos os outros comprimentos de onda. No infravermelho, por exemplo, são medidas linhas de hidrogénio e hélio.
Embora o efeito Doppler possa ser explicado pela física clássica, em altas velocidades é necessário considerar também os efeitos da teoria da relatividade especial — como a dilatação do tempo — para descrever corretamente a mudança no comprimento de onda.
Além do movimento relativo entre a fonte e o receptor, há outras causas físicas para uma mudança no comprimento de onda. Quando uma onda eletromagnética é emitida de um objeto de grande massa, ela deve superar a gravidade e, segundo a teoria da relatividade geral, perde energia, ou seja, o comprimento de onda aumenta. Nesse caso, fala-se de um desvio para o vermelho gravitacional (na literatura especializada, às vezes referido como efeito Doppler gravitacional), que não é causado pelo movimento da fonte de luz ou do receptor. Este também deve ser considerado na interpretação do sinal proveniente de objetos no entorno de um buraco negro. (A expansão cósmica também causa um desvio para o vermelho, que resulta da expansão do próprio espaço.)
O ambiente do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea permite que os astrônomos testem várias previsões da teoria da relatividade usando o efeito Doppler. Com o Very Large Telescope (VLT) do ESO, um pequeno grupo de estrelas que orbitam o buraco negro central em órbitas muito estreitas foi observado com precisão. Dados de mais de duas décadas foram analisados para o estudo.
Em particular, uma dessas estrelas está no centro dos estudos: a estrela S2, que, em sua órbita ao redor do buraco negro, no periastro (o ponto de maior aproximação), é acelerada a quase três por cento da velocidade da luz. A estas velocidades extremas, os efeitos relativísticos desempenham, como esperado, um papel significativo.
Os astrônomos examinaram minuciosamente o desvio do comprimento de onda da luz emitida durante a órbita ao redor do buraco negro. Essas medições estão em total conformidade com as previsões da teoria da relatividade especial e geral. Assim, o laboratório extremo no centro da Via Láctea confirmou mais uma vez as declarações da teoria da relatividade! A partir dos parâmetros orbitais da estrela S2, conclui-se que o buraco negro tem uma massa de 4,1 milhões de massas solares.
Outra previsão da teoria da relatividade foi testada durante as observações da órbita da estrela S2 em torno do buraco negro — a precessão da órbita. Este efeito significa que a órbita elíptica gira ao redor do buraco negro ao longo do tempo. O efeito da precessão do periélio também é conhecido na órbita do planeta Mercúrio. O valor exato só pôde ser explicado pela teoria da relatividade geral.
No entanto, a precessão observada por órbita na estrela S2 é cerca de 500 vezes maior do que a de Mercúrio, devido à enorme gravidade presente!
Prêmio Nobel de Física 2020
Postagem no blog sobre o Prêmio Nobel de Física 2020
Para leitura adicional:
https://www.eso.org/public/news/eso2006
https://www.eso.org/public/news/eso1825
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/04/aa37813-20/aa37813-20.html
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab9c1c
Contribuição de Dr. Julia Weratschnig, Haus der Natur, Curadora de Astronomia
De Christian Doppler ao Prémio Nobel de 2019
Na astronomia, o efeito Doppler desempenha um papel importante, especialmente para determinar as velocidades radiais (em direção à Terra / afastando-se da Terra) de objetos celestes: por exemplo, se uma estrela se move em direção à Terra, a frequência da luz que chega até nós da estrela aumenta; se ela se afasta da Terra, a frequência diminui (desvio para o azul ou para o vermelho). Se um objeto se move em uma órbita circular, às vezes vemos luz desviada para o vermelho e às vezes para o azul.
Esse comportamento pode ser bem observado em sistemas de estrelas binárias, onde duas estrelas orbitam um centro de massa comum. Mas também planetas que orbitam uma estrela deslocam o centro de massa do sistema: não apenas o planeta orbita a estrela, mas também a estrela se move em torno deste centro de massa comum — ela “gira”. Este efeito é tanto mais acentuado quanto maior for a massa do planeta. Com instrumentos astronômicos de alta resolução, esse desvio Doppler da luz das estrelas pode ser observado, permitindo assim a detecção de um planeta que não emite luz própria no sistema.
Metade do Prémio Nobel de Física de 2019 foi atribuída aos dois astrofísicos Michel Mayor e Didier Queloz. Graças à medição exata do desvio Doppler da luz das estrelas, eles descobriram em outubro de 1995 o primeiro exoplaneta que orbita uma estrela semelhante ao Sol. Este exoplaneta foi também o primeiro “Júpiter Quente” observado, ou seja, um gigante gasoso como Júpiter, mas que orbita muito próximo de sua estrela central.
Outros artigos sobre o Prémio Nobel de Física de 2019:
Links adicionais sobre o tema:
