O efeito Doppler

Observatório Phoenix
Dúvidas e Perguntas?

Você já observou que quando um carro passa buzinando o som parece mudar de tom? Enquanto o carro se aproxima, o som de sua buzina é mais agudo, e quando está se afastando, se torna mais grave. Mas para quem está dentro do veículo o tom não muda. Enquanto o homem se deslocava a baixas velocidades, usando as próprias pernas, cavalos, carruagens ou barcos, este efeito não foi notado. Somente após o advento das estradas de ferro, o homem pode aumentar a sua velocidade de deslocamento, e estes efeitos se fizeram sentir. 

Em 1842, Christian Johann Doppler, um físico austríaco, conseguiu explicar o que acontecia. O som se desloca em forma de ondas a uma velocidade constante para um determinado meio. A velocidade do som no ar é de 344 m/s a 20 ºC. Quando a fonte sonora se desloca a uma velocidade relativamente grande, pelo menos uns 10% da velocidade do som, as frentes de onda que se aproximam são comprimidas e o som parece mais agudo, enquanto elas se rarefazem quando a fonte do som se afasta. Este fenômeno foi chamado de efeito Doppler.

Hoje o efeito Doppler é largamente utilizado em instrumentos de medição, como os sonares dos submarinos , na medição de distâncias e na prospecção geológica, mas não ficou limitado aos fenômenos acústicos, os radares usam o mesmo efeito sobre as ondas eletromagnéticas para detetar obstáculos.

Na luz, este efeito é difícil de ser observado. Em primeiro lugar porque a velocidade da luz é muito grande, c = 299 790 km/s no vácuo, ou arredondando, 300 000 km/s! Em segundo, porque quando a fonte de luz se aproxima, segundo a teoria da relatividade de Albert Einsten, a velocidade da luz não se altera. Um terceiro problema é a janela óptica. Enquanto alguns comprimentos de onda se deslocam para fora da janela óptica de um lado, outros entram pelo outro lado, e ela permanece do mesmo tamanho. É como se observássemos uma longa régua que passa em frente de uma janela. Se não tivermos uma referencia da origem, não saberemos quanto ela se deslocou. Para medir seu deslocamento somos obrigados a traçar uma referencia sobre a parte visível.

Felizmente esta referência existe na luz! São as raias de Fraunhofer. Descobertas em 1802 por Willian H. Wollaston, um físico inglês, foram estudadas e definidas por Joseph von Fraunhofer (1787-1826) como linhas de absorção características de cada elemento químico. Quando um elétron do átomo de um determinado elemento muda de nível, ele emite ou absorve energia em um comprimento de onda específico para esta mudança, criando raias negras (de absorção) ou brilhantes (de emissão) sobre o espectro da luz que está sendo analisada. Fraunhofer conseguiu identificar 526 destas linhas.

Na astronomia, o efeito Doppler foi notado em 1924, quando Edwin Hubble resolveu analisar o espectro das galáxias distantes. A primeira descoberta foi que as estrelas de outras galáxias eram formadas pelos mesmos elementos já conhecidos, já que as raias encontradas eram as mesmas, só que suas raias estavam deslocadas para o lado vermelho da janela óptica. Quanto mais distantes as galáxias, maior este deslocamento. Em algumas das galáxias mais próximas o desvio era para o azul! A única explicação plausível era a velocidade de afastamento da galáxias. Quando o deslocamento era para o azul (blueshift), indicava uma aproximação. O deslocamento para o vermelho (redshift) é definido como z, e é expresso em percentuais da velocidade da luz c. Assim um z = 0,2 significa um afastamento com 20% da velocidade da luz, ou sejam 60 000 km/s. Hoje conhecemos quasars que têm um z = 4, isto é, o deslocamento para o vermelho é de 400%! Usando as fórmulas relativísticas, calculamos que se afastam de nós com velocidades próximas à da luz!

Com o trabalho de Hubble surgiu a teoria do universo em expansão, que veio solidificar vários modelos matemáticos do universo, inclusive o idealizado por Albert Einsten, tornando desnecessária uma constante que ele havia criativamente introduzido em suas fórmulas.