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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=(l_oss–l_em)/l_em

dove l_oss e l_em 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.

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