La regla cósmica de hidrógeno que mide 21 centímetros

La línea de hidrógeno surge de un proceso cuántico fundamental, y la hemos detectado proveniente de todas partes de nuestra galaxia e incluso del universo primitivo. Además, podría ser una de las frecuencias clave en la búsqueda de vida extraterrestre. Os contamos todo sobre ella y alguna cosa más.

 

Existe una luz, conocida como la línea de hidrógeno, proveniente de uno de los componentes más básicos y fundamentales del universo, que recibimos desde cada rincón de nuestra galaxia e incluso desde tan atrás como podemos observar en nuestro universo. Esta luz, proveniente de la conocida como transición hiperfina del hidrógeno neutro fue utilizada como unidad de medida universal en las placas que acompañaron a las sondas Voyager y Pioneer y se considera una de las bandas de luz más prometedoras en búsqueda de vida extraterrestre.

Esta luz la emiten los átomos de hidrógeno neutros (es decir, con un sólo electrón orbitando alrededor del protón del núcleo) cuando el spin del electrón en cuestión pasa de estar alineado con el del protón a apuntar en la dirección contraria. El spin es una propiedad cuántica de las partículas fundamentales (y de las partículas compuestas de partículas fundamentales, como el protón), relacionada con el momento angular (que tienen los objetos por estar rotando), aunque el spin no implica ninguna rotación real de dichas partículas.

El spin puede tomar tan solo ciertos valores. El bosón de Higgs tendrá spin 0, los electrones, quarks, protones y otras partículas tendrán spin ½ y los fotones spin 1. Cuando el valor es un número entero (como 0, 1, 2, etc) las partículas en cuestión diremos que son bosones y cuando sea spin semientero (½, 3/2, etc) diremos que son fermiones. El valor del spin dictará también cómo se comportan las partículas ante ciertas condiciones y transformaciones.

Pues bien, las partículas de spin ½, como el electrón y el protón que forman el átomo de hidrógeno neutro del que veníamos hablando, podrán tomar dos valores para esta magnitud, +½ ó -½. Cuando el valor coincida tanto para el electrón como para el protón, diremos que tienen spines paralelos, y cuando sean diferentes, diremos que el spin es antiparalelo. Estos dos estados, en los que el átomo de hidrógeno tiene una configuración paralela o antiparalela de los spines de sus partículas constituyentes, no tendrán exactamente la misma energía. Concretamente la configuración antiparalela tendrá menor energía que la paralela.

Por tanto si tenemos un átomo de hidrógeno con spines paralelos, podrá decaer espontáneamente a spines antiparalelos, emitiendo luz con energía igual a la diferencia de energía entre ambos estados. Esta transición es la responsable de la línea de hidrógeno y corresponde a una energía muy pequeña, cuya luz está en el rango de las microondas, con una longitud de onda de 21,1 centímetros.

La longitud de onda es una propiedad de cualquier onda, sea de luz o una onda de agua sobre la superficie de un lago, en el mar o sobre una cuerda que vibra que nos dice cada cuánta distancia se repite la vibración. Es decir, si nuestra onda son las olas del mar, la longitud de onda será la distancia entre la cresta de dos olas consecutivas. En el caso de la luz será la distancia entre dos máximos (o dos puntos cualesquiera con la misma fase) en la oscilación del campo electromagnético.

Pues bien, la transición hiperfina del hidrógeno neutro, la que emite luz con estos 21,1 centímetros de longitud de onda, resulta tremendamente improbable. La vida media del estado excitado del átomo de hidrógeno será de aproximadamente diez millones de años. Por tanto resulta poco probable observarla de manera espontánea en un laboratorio, aunque se puede inducir. Sí podemos observar esta luz proveniente del medio interestelar, de las nubes que contienen grandísimas cantidades de hidrógeno.

La línea de hidrógeno se detectó de manera poco precisa durante la década de 1930, aunque no fue hasta 1951 que conseguimos establecer la longitud de onda exacta correspondiente a esta radiación. Esta luz se ha utilizado desde entonces en mediciones fundamentales en astronomía. Por ejemplo se utilizó para determinar la forma de nuestra galaxia y la distribución y movimiento de los distintos brazos espirales que la componen. Además, se utilizado para estudiar la dinámica de otras galaxias individuales y para estudiar si la intensidad de la interacción gravitatoria ha podido cambiar durante la historia del universo.

Además la línea de hidrógeno tiene un gran potencial en cosmología, es decir en el estudio del universo a gran escala. Esta es probablemente una de las pocas ventana que tengamos a lo que se conoce como la “edad oscura” del universo, que es el tiempo desde que se emitió el Fondo Cósmico de Microondas y se formaron las primeras estrellas. Durante ésta fase del universo no había ningún tipo de astro emitiendo luz constantemente como sí lo hacen hoy en día las estrellas como nuestro Sol. Por esto puede resultar clave estudiar la línea de hidrógeno, para aprender más sobre aquél momento de nuestra historia. Sin embargo, esta radiación es verdaderamente débil y para los telescopios situados en Tierra, las interferencias de ondas de radio provenientes de emisiones de televisión pueden dificultar la observación.

Por otro lado la longitud de onda de la línea de hidrógeno y la frecuencia que le corresponde, se utilizaron en las placas a bordo de las sondas Pioneer y Voyager como unidad de medida fundamental. Por ejemplo se indicó que la altura de la mujer representada en estas placas era de ocho veces estos 21 centímetros, lo que corresponde a una altura de 168 centímetros, bastante acertada. Además se utilizó la frecuencia de esta luz, de 1420 MHz, para expresar el periodo de rotación de 14 púlsares relativamente cercanos a nuestro Sol. Esto permitiría a la posible civilización extraterrestre que encontrara la sondas, localizar exactamente nuestro sistema solar en el tiempo y en el espacio.

Desde su medición y detección exacta en la década de los 50 ya se propuso esta frecuencia, o pi veces esta frecuencia, como una buena candidata para la búsqueda de vida extraterrestre. El argumento es que esta línea de hidrógeno, aunque es muy común en el universo, no aparece con gran intensidad y una señal intensa y concentrada en el espacio sería indicatoria de un origen artificial. Además, al utilizar un múltiplo irracional de esta frecuencia (multiplicándola por pi, un número que sin duda una civilización inteligente extraterrestre llegaría a conocer), separaríamos aún más esta luz del ruido de fondo, descartando, de observarla, cualquier origen natural.

Referencias:

D. J. Griffiths, 1982, Hyperfine Splitting in the Ground State of Hydrogen, American Journal of Physics. 50 (8), doi:10.1119/1.12733

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

Continúa leyendo