El piloto Doppler y los planetas extrasolares

A raíz de la entrada del pato Doppler, me pedía un amigo que extendiese la explicación a la detección de planetas extrasolares... A ver:

Imaginemos que un ciego asiste a un circuito de carreras de esos que tienen en Estados Unidos que son básicamente un círculo en el que va a correr un sólo coche (conducido por el piloto Doppler). El coche pone en marcha su motor, el espectador escucha perfectamente su sonido, y sabe que aún no ha empezado a dar vueltas. En cuanto comienza a hacerlo lo percibe a la perfección y es capaz de contar las 40 vueltas que tenía la carrera ¿cómo?

Todos hemos oído el característico ruido de los coches de carreras, y como el sonido del motor lo oímos más agudo cuando se acerca a nosotros y más grave cuando se aleja, produciéndose un cambio bastante brusco en el momento en que pasa delante nuestro (i i ii iii iiiiuuu uu u u). El piloto no oye ese cambio de sonido, él oye las revoluciones de su motor como si estuviera parado. Es la composición del movimiento del coche y la propagación de las ondas que genera lo que da lugar a los cambios de tono, de frecuencia, en el sonido que escuchamos. Ese es el efecto Doppler de libro (ver por ejemplo esta representación gráfica).

Así pues nuestro espectador ciego escucha el motor más agudo en el tramo de pista en que el coche se acerca a él, mientras que en la siguiente mitad del círculo, cuando se aleja, lo oye más grave. No tiene ninguna dificultad en saber en cada momento en que parte del circuito está el coche o en contar cuantas veces ha pasado por delante de su asiento.

Esta situación descrita para el espectador ciego es totalmente análoga a la que experimentan los astrónomos. La luz, que también es una onda, sufre el efecto Doppler de la misma forma que el sonido. En este caso el cambio de frecuencia se percibe no como cambio de tono (agudo, grave) sino como cambio de color (azul, rojo). Cuando la luz emitida por una estrella se ve que va pasando de más azulada a mas rojiza igual que lo hacía el sonido del coche de carreras podemos suponer que esa estrella está dando vueltas, lo mismo que el coche. Este "lo mismo" es más cuantitativo de lo que puede parecer, la frecuencia en función del tiempo (tanto con el sonido como con la luz) cumple relaciones precisas dependiendo del radio del círculo y de la velocidad de giro. Vamos que si el ciego tomara datos precisos y los analizara con ordenador podría saber muchísimas cosas del coche, que es lo que hacen los astrónomos con la luz. Así es como se han encontrado estrellas de las que se puede asegurar que están dando vueltas.

¿Y qué puede hacer que una estrella esté dando esas vueltecitas? Pues una de las posibilidades es que haya otra masa cerca y que ambas estén orbitando, dando vueltas alrededor del centro de masas del sistema. Esa segunda masa puede ser otra estrella (formando una estrella doble) o un planeta. Si el planeta es mucho más pequeño que la estrella en lo que a masas se refiere, la oscilación de la estrella por la presencia del planeta será ínfima, imperceptible en la distancia. Pero para determinados tamaños y distancias de los planetas y las estrellas esa oscilación se percibe. Así es como los astrónomos han detectado planetas extrasolares, a partir de variaciones del color de las estrellas producidas por efecto Doppler.

Hay un detalle importante que falta en la explicación, pero lo he dejado para el final para no confundir, porque creo que se puede considerar de forma separada; se trata de la cuestión ¿cuál es el color de partida de la estrella? o en su equivalente, ¿cómo suena el motor del coche parado, antes de empezar a dar vueltas? Las estrellas emiten unos patrones de radiación característicos de los elementos de los que están compuestas. Para analizarla es necesario descomponer la luz de la misma forma que hacen las gotas de agua con el sol para producir el arco iris. Las gráficas de intensidad luminosa en función de la frecuencia se llaman "espectros", son muy característicos y dan mucha información sobre las estrellas. Es el desplazamiento al azul o al rojo de esos espectros lo que se detecta. Una explicación más detallada (pero muy accesible) de estos espectros se puede encontrar aquí.

La foto está tomada de aquí.