L'effetto Doppler

Nel 1842, a Vienna, Christian Doppler (1803–1853) scoprì un effetto fisico che porta il suo nome e che ha un’importanza straordinaria in astrofisica e cosmologia. L’effetto Doppler si applica a tutti i fenomeni ondulatori, e dunque alla propagazione dei fenomeni sonori e luminosi (nei primi è l’aria ad essere compressa e dilatata periodicamente, mentre i secondi vengono prodotti da un’oscillazione concertata di un campo elettrico e di un campo magnetico).
Nella vita quotidiana ci possiamo rendere conto dell’influenza dell’effetto Doppler sui fenomeni sonori. Un osservatore che si trova sulla banchina di una stazione attraversata da un treno di passaggio percepisce un cambiamento nel suono associato alla sirena del treno mentre questo dapprima si avvicina, passa e successivamente si allontana. Oltre all’ovvio cambiamento nell’intensità del suono, che aumenta quando il treno è in avvicinamento e diminuisce quando il treno si allontana, vi è anche una variazione della frequenza percepita. Il suono infatti ha un tono più alto mentre il treno si avvicina e più basso nel caso opposto. Al contrario, un viaggiatore posto sul treno non percepisce alcun cambiamento.

L’effetto Doppler si verifica perché cambia il tempo che il suono impiega per raggiungere l’osservatore fermo sulla banchina.
Supponiamo che ad un certo istante il treno si trovi a 100 metri dall’osservatore, verso cui si avvicina velocemente. Il suono impiega un certo tempo, diciamo 300 millisecondi, prima di raggiungere l’osservatore ed essere udito. In questo intervallo di tempo il treno si è avvicinato e si trova, poniamo, a 90 metri dall’osservatore. Il suono emesso da questa posizione impiega ora solo 270 millisecondi per raggiungere l’osservatore. Fin tanto che il treno è in avvicinamento, il suono emesso ad istanti successivi impiegherà sempre meno per essere udito, e varrà percepito dall’osservatore come "compresso". Al contrario, quando il treno è in allontanamento, il suono apparirà "dilatato".

Così come la frequenza di un suono (o, alternativamente, la sua lunghezza d’onda) è associata alla sua tonalità, la frequenza di un’onda luminosa visibile ne determina il colore. La luce di colore rosso è composta da onde elettromagnetiche di minore frequenza (ovvero di maggiore lunghezza d’onda) rispetto alla luce blu. Pertanto il segnale luminoso posto su un’ambulanza dovrebbe apparire più blu quando questa si avvicina, e più rosso quando si allontana. In realtà, essendo la velocità dell’ambulanza enormemente più bassa di quella della luce (pari a circa 300.000 km/s), l’effetto Doppler risulta trascurabile, e la luce appare sempre dello stesso colore.

In astrofisica, però, i corpi celesti sono dotati di velocità elevate che, per quanto più basse di quella della luce, non sono tuttavia del tutto trascurabili. Le atmosfere stellari sono composte da atomi che, data l’elevata temperatura, emettono radiazione a lunghezze d’onda ben precise; l’emissione di radiazione ad una determinata lunghezza d’onda viene detta riga.
Se una stella si allontana, la riga emessa dagli atomi di un determinato elemento presente nell’atmosfera stellare apparirà ad una lunghezza maggiore rispetto a quella di laboratorio, ovvero quella emessa da un campione fermo rispetto all’osservatore. In questo caso si dice che la riga si è spostata verso il rosso. Nel caso di una sorgente in avvicinamento, la riga si sposta verso il blu. Inoltre l’entità dello spostamento è proporzionale alla velocità della sorgente, sicché tramite l’effetto Doppler è possibile ricavare la velocità radiale (ovvero la componente della velocità lungo la linea di vista) di un corpo celeste.
Fu proprio tramite l’effetto Doppler che Hubble scoprì, nel 1929, l’espansione dell’universo. In particolare, egli scoprì che le galassie si allontanano da noi con una velocità che è proporzionale alla loro distanza. Estrapolando il moto delle galassie indietro nel tempo, si è pervenuti all’ipotesi del Big Bang, ovvero una grande esplosione iniziale da cui è scaturita la materia presente nell’universo.