Se denomina aberración de la luz o aberración de Bradley a la diferencia entre la posición observada de una estrella y su posición real, debido a la combinación de la velocidad del observador y la velocidad de la luz. 200 px|thumb|Retrato de James Bradley.
Descubrimiento En 1725, James Bradley, entonces profesor Saviliano de Astronomía en la Universidad de Oxford, intentó medir la distancia a una estrella observando su orientación en dos diferentes épocas del año. La posición de la Tierra cambiaba mientras orbitaba alrededor del Sol y, por consiguiente, proporcionaba una gran línea de base para la triangulación de la estrella. Para su sorpresa, encontró que las estrellas fijas mostraban un movimiento sistemático aparente, relacionado con la dirección del movimiento de la Tierra en su órbita y no dependía, como se había anticipado, de la posición de la Tierra en el espacio.
Concepto thumb|La posición aparente de una estrella que se ve desde la Tierra depende de la velocidad del planeta alrededor del Sol. El efecto es típicamente mucho más pequeño que el ilustrado.
El fenómeno de la aberración de la luz (también conocido como aberración astronómica, aberración estelar o aberración de Bradley) es un fenómeno astronómico que produce un movimiento aparente de las posiciones de los objetos celestes dependiente de la velocidad del observador. La aberración hace que la posición de estos objetos presente una pequeña desviación angular en la dirección del movimiento del observador en comparación a cuando el observador se encuentra en reposo. La variación del ángulo es normalmente muy pequeña, del orden de v/c, donde c es la velocidad de la luz y v la velocidad del observador. En el caso de la aberración "estelar" o aberración "anual", la posición aparente de una estrella para un observador en la Tierra varía periódicamente en el transcurso de un año debido a los cambios en la orientación de la velocidad de la Tierra en su órbita alrededor del Sol, con un ángulo máximo de aproximadamente 20 arcosegundos en ascensión recta o declinación.
El estudio de la aberración astronómica es de gran importancia histórica debido a su papel en el desarrollo de las teorías de la luz, el electromagnetismo y, en última instancia, en la teoría de la relatividad especial. Fue observado por primera vez a finales de 1600 por los astrónomos en busca del paralaje estelar con el fin de confirmar el modelo heliocéntrico del sistema solar. Para su sorpresa, en 1729 James Bradley proporcionó una explicación a este fenómeno en los términos de la mecánica clásica, considerando una velocidad de la luz finita con respecto al movimiento de la Tierra en su órbita alrededor del Sol, permitiendo efectuar uno de los primeros cálculos de la velocidad de la luz. Sin embargo, la teoría de Bradley era incompatible con las teorías de la luz del , y la aberración se convirtió en una de las principales motivaciones para la hipótesis del arrastre del éter de Augustin Fresnel (en 1818) y de G. G. Stokes (en 1845), y para la teoría del éter en electromagnetismo de Hendrick Lorentz en 1892. La aberración de la luz, junto con la elaboración de las ecuaciones de Maxwell, el problema del imán en movimiento y del conductor de Lorentz, los experimentos sin resultado para detectar la deriva del éter, así como el experimento de Fizeau, llevaron a Albert Einstein a desarrollar la teoría de la Relatividad especial en 1905, proporcionando una explicación concluyente para el fenómeno de la aberración.
El término 'aberración' se ha utilizado históricamente para referirse a una serie de fenómenos relacionados con la propagación de la luz de los cuerpos en movimiento. No debe confundirse con el concepto de paralaje estelar, causado por un cambio en la posición del observador situado en la Tierra (cuando ocupa puntos opuestos de su órbita alrededor del sol) respecto a un objeto relativamente cercano en términos astronómicos (en teoría, respecto a cualquier objeto fuera del sistema solar). En cambio, la aberración estelar está relacionada con la corrección en el tiempo luz y con la radiación relativista, aunque se considera a menudo por separado de estos efectos.
El término aberración también se utiliza para referirse a fenómenos relacionados con los sistemas ópticos (Aberración en sistemas ópticos).
Explicación thumb|300px| Los rayos de luz que llegan a la Tierra desde las estrellas en un sistema con el Sol en reposo; comparado con los mismos rayos en un sistema de referencia con la Tierra en reposo (de acuerdo con la relatividad especial). El efecto se ha exagerado con fines ilustrativos.
La aberración puede ser explicada como la diferencia en el ángulo de un haz de luz en diferentes sistemas de referencia inerciales. Una analogía común es la dirección aparente de la lluvia que cae: si la lluvia está cayendo verticalmente para una persona en reposo, para una persona que se mueve hacia delante la lluvia mostrará un cierto ángulo, lo que le llevará a inclinar su paraguas hacia adelante. Cuanto más rápido se mueva, mayor será la inclinación del paraguas.
El efecto neto es que los rayos de luz que llegan a un observador que se mueve a través de un sistema de referencia estacionario aparecerán con un ángulo hacia adelante en el sistema de referencia del observador en movimiento. Este efecto se denomina a veces "reflector" o efecto "faro".
En el caso de la aberración anual de luz de las estrellas, la dirección de la luz estelar que incide en el sistema de referencia móvil de la Tierra está inclinado con respecto al ángulo observado en el marco del sol. Dado que el movimiento de la Tierra durante su órbita alrededor del sol cambia de orientación, la dirección de esta inclinación cambia durante el transcurso del año, y hace que la posición aparente de una estrella difiera de su verdadera posición.
Aunque este razonamiento para explicar la aberración es bastante intuitivo, conduce a una serie de paradojas observables con los supuestos de la física newtoniana. La teoría de la relatividad especial sí permite explicar correctamente la aberración. Sin embargo, la explicación relativista es muy similar a la clásica, y en ambas teorías la aberración puede entenderse como un caso de suma de velocidades.
Explicación clásica En el marco del Sol, se considera un haz de luz con una velocidad igual a la velocidad de la luz c, con componentes de la velocidad x e y , y con un ángulo de incidencia . Si la Tierra se está moviendo a la velocidad en la dirección x respecto al Sol, a continuación, por la suma de velocidades del componente x de la velocidad del rayo de luz en el marco de referencia de la Tierra, se tiene que . La velocidad en el eje y no se ha modificado: (téngase en cuenta que lo que se necesita conocer es la velocidad del Sol respecto a la Tierra, que es el negativo de la velocidad de la Tierra con respecto al Sol, teniendo también en cuenta que solo se están usando vectores, sin indicarse su dirección.) Por lo tanto el ángulo de la luz en el marco de referencia de la Tierra respecto al ángulo de la luz en el marco de referencia del Sol es:
En el caso de que , este resultado se reduce a .
Explicación relativista El razonamiento en el caso relativista es el mismo, salvo que se deben utilizar las fórmulas de la suma de velocidades relativista, que se pueden derivar de la Transformación de Lorentz entre los diferentes marcos de referencia. Estas fórmulas son:
donde , con las componentes del haz de luz en el marco de referencia de la Tierra expresados en términos de sus componentes en el marco de referencia del Sol. El ángulo del haz en el marco de la Tierra es, pues,
En el caso de que , este resultado se reduce a , y en el límite cuando , esto puede aproximarse a . Esta deducción relativista mantiene la velocidad de la luz constante en todos los marcos de referencia , a diferencia de la deducción clásica anteriormente expuesta.
Relación con la corrección en tiempo luz y con la radiación relativista thumb | 400px | La aberración, la corrección en tiempo luz y la radiación relativista pueden considerarse el mismo fenómeno en función del marco de referencia
La aberración está relacionada con otros dos fenómenos, la corrección en tiempo luz, que se debe al movimiento de un objeto observado durante el tiempo que tarda la luz en llegar al observador, y la radiación relativista, relacionada con el movimiento de una fuente de luz. Se puede considerar equivalente a ambos, pero en un sistema inercial de referencia diferente. En el caso de la aberración, se considera que el observador se mueve con respecto a una (para simplificar el problemaDe hecho, la fuente de luz no tiene por qué ser estacionaria, ténganse en cuenta por ejemplo las estrellas binarias eclipsantes: están girando a gran velocidad -siempre con diferentes y cambiantes vectores- una alrededor de la otra, apareciendo como un punto único todo el tiempo.) fuente de luz estacionaria, mientras que en términos de la corrección de tiempo luz y de la radiación relativista se considera que la fuente de luz es la que se mueve con respecto a un observador estacionario.
Considérese el caso de un observador y una fuente de luz que se mueve a velocidad constante con respecto al primero, con un haz de luz que se mueve desde la fuente hasta el observador. En el momento de la emisión, en el sistema en reposo del observador el rayo de luz se inclina en comparación con el de referencia en reposo de la fuente, tal como se entiende considerando el fenómeno de la radiación relativista. Durante el tiempo que tarda el haz de luz en llegar al observador, la fuente de luz se mueve en el marco del observador, y la "verdadera posición" de la fuente de luz se desplaza con relación a la posición aparente que el observador ve, según lo explicado por la corrección de tiempo luz. Finalmente, el haz en el marco del observador en el momento de la observación está inclinado en comparación con el rayo en el marco de la fuente, lo que puede ser entendido como un efecto de aberración. Por lo tanto, un observador en el marco de la fuente de luz describiría la inclinación aparente del rayo de luz en términos de aberración, mientras que una persona en el marco del observador lo describiría como un efecto de corrección de tiempo luz.
La relación entre estos fenómenos solo es válida si el observador y la fuente de luz están situados sobre sistemas de referencia inerciales. En la práctica, debido a que la Tierra no es un sistema de reposo inercial, porque experimenta una aceleración centrípeta hacia el Sol, la aberración anual sobre la Tierra no puede considerarse como una corrección en tiempo de luz. Sin embargo, si el tiempo entre la emisión y la detección de la luz es corto en comparación con el periodo orbital de la Tierra, la propia Tierra se puede aproximar a un sistema inercial, y los efectos de la aberración son equivalentes a las correcciones en tiempo luz.
Tipos de aberraciones Hay una serie de tipos de aberración, causados por los diferentes componentes del movimiento de la Tierra:
Aberración anual se debe a la traslación de la Tierra alrededor del Sol. Aberración solar anual es la deflexión casi constante de la posición aparente del Sol respecto a su propio sistema en reposo. Aberración planetaria es la combinación de la aberración y de la corrección tiempo luz. Aberración diurna se debe a la rotación de la Tierra sobre su propio eje. Aberración secular se debe al movimiento del Sol y del sistema solar en relación con otras estrellas en la galaxia.
Aberración anual thumb|250px|Las estrellas del polo de la eclíptica parecen moverse en círculos, las estrellas exactamente en el plano de la eclíptica con un movimiento en línea, y las estrellas en ángulos intermedios se mueven en elipses. Aquí se representan los movimientos aparentes de las estrellas con latitudes eclípticas correspondientes a estos casos, y con longitud eclíptica de 270 grados.