Y se hizo la luz ...

El año 2015 es el Año Internacional de la Luz. La luz juega un papel central en las actividades humanas. En el nivel más fundamental a través de la fotosíntesis, la luz es necesaria para la existencia de la vida misma, y las muchas aplicaciones de la luz han revolucionado a la sociedad a través de la medicina, las comunicaciones, el entretenimiento y la cultura. Las industrias que utilizan la luz son los principales motores económicos y tecnologías basadas en la luz directa, responden a las necesidades de la humanidad mediante el acceso a la información, la promoción del desarrollo sostenible, y el aumento de la salud social del tiempo y el bienestar. 

En Astronomía la Luz lo es todo. A diferencia del resto de las ciencias la Astrofísica no se basa en experimentos preparados cuidadosamente en un laboratorio sino en la observación directa del Universo. Esto es, los astrofísicos o astrónomos trabajamos analizando la luz que nos llega del Cosmos. Para ello se usan instrumentos extremadamente sensibles que captan pacientemente la luz de planetas, estrellas, nebulosas y galaxias.  La luz es así la pieza clave de la Astrofísica actual.

Como el objetivo es captar la débil luz que nos llega de objetos localizados incluso a miles de millones de años luz de nosotros, los observatorios astronómicos profesionales se construyen en lugares relativamente remotos y altos sobre el nivel del mar. Los astrofísicos necesitamos de un cielo oscuro y no alterado por la contaminación lumínica que induce la sociedad actual. El uso inadecuado de la luz artificial emitida por el alumbrado exterior de las ciudades hace aumentar el brillo del cielo nocturno por su reflexión y difusión en los gases y en las partículas de polvo de la atmósfera.

Observatorio La Silla - Atacama - Chile

Además, tras su largo recorrido durante cientos o millones de años por el espacio profundo, la información que nos llega codificada en un rayo de luz se ve alterada por la atmósfera terrestre en las últimas millonésimas de segundo de su viaje. De ahí que los telescopios profesionales se instalen en lugares elevados sobre el nivel del mar, donde la atmósfera es algo más estable. No obstante en muchas ocasiones esto no basta: la atmósfera distorsiona la luz e impide resolver con claridad objetos muy cercanos entre sí. Aquí es donde técnicas como la óptica adaptativa, que permiten modificar ligeramente el espejo primario del telescopio en tiempo real para contrarrestar las distorsiones de la atmósfera, entran en juego. 

Para dirigir la luz que recibe un telescopio se utilizan detectores que transforman la energía luminosa recibida en energía eléctrica. Algunos de estos sistemas están basados en fibras ópticas.  El siguiente vídeo muestra como omo los astrofísicos usamos el análisis de la luz que nos llega de las galaxias para clasificarlas y conocer su naturaleza. En particular se muestran dos tipos de galaxias, una espiral (panel superior) y otra elíptica (panel inferior), usando datos reales. Codificado en el arco iris obtenido para cada galaxia encontramos los rasgos que la identifican unívocamente: distancia a la que se encuentra, proporción de estrellas jóvenes y viejas, composición química, edad, propiedades físicas como su temperatura o densidad, y mucho más. Toda esta información viene atrapada dentro de un rayo de luz que ha recorrido millones de años luz hasta llegar a nosotros. De forma similar podemos analizar las propiedades de las estrellas (luminosidad, masa, temperatura efectiva, tamaño, composición química, velocidad…), de las nebulosas, y de cualquier otro objeto astronómico (planetas, cometas, asteroides, cuásares…). Y estudiando los pequeños cambios de luz en estrellas cercanas estamos localizando miles de exoplanetas en la Vía Láctea. 

No obstante, para realmente entender lo que ocurre en el Universo los astrofísicos no sólo usamos la luz que ven nuestros ojos (el rango óptico) sino todas las otras “luces” que componen el espectro electromagnético, desde los energético rayos gamma a las ondas de radio. La luz codificada en frecuencias de radio es observada por los radiotelescopios, la mayoría localizados también en la superficie terrestre. El estudio de la luz del Universo en colores radio permite desvelar, por ejemplo, el gas difuso que existe en y alrededor de las galaxias, las regiones más frías del medio interestelar (que son los lugares donde se forman las estrellas) o los fenómenos energéticos asociados a núcleos de galaxias que poseen agujero negro súper-masivo activo. Muchos logros tecnológicos actuales, incluida la invención de la Wi-Fi, provienen de la Radioastronomía. Para estudiar las luces infrarroja, ultravioleta, rayos X y rayos gamma se deben colocar telescopios en el espacio, dado que la atmósfera terrestre bloquea completamente estos tipos de radiación.

La imagen siguiente muestra un ejemplo observaciones de la galaxia M101 usando distintas longitudes de onda del espectro electromagnético. Los rayos X muestran los fenómenos más violentos de la galaxia, regiones asociadas a restos de supernovas y agujeros negros. La emisión en ultravioleta (UV) indica donde se encuentran las estrellas más jóvenes, formadas en los últimos 100 millones de años. Los colores ópticos (banda R) y del infrarrojo cercano (banda H) localizan las estrellas maduras tipo Sol y viejas. La emisión en la línea del hidrógeno una vez excitado (H-alpha) señala las regiones de formación estelar: las nebulosas de M 101. La luz del infrarrojo medio (MIR) proviene sobre todo de la emisión térmica del polvo, calentado por las estrellas más jóvenes. Finalmente la imagen en radio (hidrógeno atómico neutro, HI a 21 cm) muestra el mapa de gas frío y difuso de la galaxia.

La Astrofísica actual no se basa sólo en las observaciones de la luz que nos llega del Cosmos. Hace falta un marco teórico en el que trabajar. Los “experimentos controlados” en Astrofísica se hacen mediante simulaciones por ordenador, donde se incorporan las leyes físicas bajo ciertas condiciones iniciales y se deja evolucionar el sistema. Así se intentan entender tanto los interiores estelares como las explosiones de supernova o la evolución de las galaxias.

Fuente: Extraído de un articulo de Lobo Rayado del blog del Año Internacional de la Luz.