Un rayo de luz contiene más información de la que piensas

Un simple rayo de luz, un chorro de fotones, es capaz de darnos información sobre la temperatura, composición, velocidad y distancia del astro que lo emitió.

Durante siglos, la astronomía y la astrofísica han dependido únicamente de la luz que éramos capaces de captar proveniente de sucesos ocurridos en rincones lejanos de la galaxia o del universo. Ninguno de los objetos estudiados más allá del sistema solar ha sido visitado in situ por ninguno de nuestros instrumentos. Incluso los que sí han sido visitados han sido estudiados desde la distancia. Hemos “aterrizado” en 13 cuerpos celestes, de entre los cientos que conocemos en detalle. Utilizo las comillas porque en 4 de ellos la sonda no sobrevivió el aterrizaje. Y a pesar de todo esto, la cantidad de información que conocemos sobre ellos es increíble.

Más allá de permitirnos visualizarlos, o al menos discernir su posición en el cielo nocturno, la luz que recibimos de los diferentes astros nos permite saber características tan diferentes como su temperatura , su composición química , su velocidad respecto a la Tierra o su distancia, en el caso de los objetos más lejanos.

Por ejemplo, las estrellas, como cualquier otro cuerpo del universo, emiten luz debido a su temperatura. Cuanto más calientes estén emitirán luz más energética. Esta luz es lo que se conoce como radiación del cuerpo negro, pues es la única luz que emitiría un cuerpo perfectamente negro, incapaz de reflejar cualquier luz que le llegue. Esta radiación del cuerpo negro es la responsable de que la lava brille con un tono rojizo cuando aún está caliente o, como hemos dicho, la responsable del brillo de la estrellas. Es también causante de los diferentes colores que observamos entre las diferentes estrellas. Las estrellas más frías emitirán luz roja, mientras que las más calientes emitirán luz azul.

Otros objetos menos convencionales pueden incluso emitir luz en otras partes del espectro electromagnético. El fondo cósmico de microondas, que es el remanente de luz que nos queda de cuando el universo aún era joven, tiene la emisión de un cuerpo negro a una temperatura de apenas 2,7 K por encima del 0 absoluto, de la mínima temperatura posible. Esta luz por tanto nos llega como microondas.

Además de emitir luz como resultado directo de su temperatura, algunos cuerpos o estructuras también pueden brillar por lo que se conocen como espectros de emisión. Esta es la luz que emiten los átomos cuando sus electrones han sido excitados. Esta excitación puede suceder por colisiones violentas con otros átomos o tras absorber luz proveniente de otra fuente, por ejemplo. La excitación significará que un electrón de dicho átomo saltará a un nivel con mayor energía. Al cabo de unos instantes, por ser ese nivel inestable, volverá a caer al nivel inferior, emitiendo luz en el proceso. Pero no cualquier luz. La energía de los fotones emitidos será exactamente la diferencia de energía entre los dos niveles del electrón. Existirán por supuesto multitud de niveles a los que podrán acceder los diferentes electrones del átomo, de forma que se emitirá luz con unas energías muy concretas y específicas para cada átomo o molécula. A esto se le llama el espectro de emisión de un átomo.

Espectro emision
Espectro de emisión de varios elementos. WikiMedia Commons

Por tanto, midiendo exactamente la energía de la luz (relacionada directamente con el color de dicha luz) proveniente de una nube de gas interestelar o de la atmósfera de un planeta, podemos identificar la composición química de estas estructuras.

Gracias a este espectro conocemos con tanto detalle la composición de muchos de los cuerpos de nuestro sistema solar, de estrellas lejanas y de nubes y gas y polvo situadas a miles de años luz de distancia. Gracias a telescopios como el James Webb, y a la sensibilidad de sus instrumentos, en el futuro podremos caracterizar la composición de la atmósfera de miles de exoplanetas, pudiendo detectar, tal vez, la presencia de vida extraterrestre en el proceso.

Pero no siempre resulta tan directa la hazaña de quienes se dedican a estudiar el universo. A veces la luz que recibimos se ve distorsionada. No solo es que algunas estructuras puedan bloquear directamente la luz, impidiendo que llegue hasta nuestros telescopios, sino que  ésta puede verse afectada por efectos físicos, como el efecto Doppler.

Cuando escuchamos la sirena de una ambulancia o un coche de policía, percibimos que el sonido que escuchamos cambia cuando el objeto se acerca o se aleja de donde estamos. Esto es lo que se conoce como efecto Doppler, y tiene una explicación muy sencilla. Cuando el tren o la ambulancia estén quietos emitirán ondas en todas direcciones, creando frentes de onda circulares y concéntricos entre sí. Si fueran las olas del mar, diríamos que estos frentes de onda representan las crestas de las olas, por ejemplo. Pues bien, cuando el emisor del sonido se pone en movimiento, las ondas se seguirán emitiendo de forma circular, pero cada frente de onda se emitirá desde una posición diferente, por lo que los frentes de onda se apelotonarán por delante, en la dirección que se mueva el emisor y se alejarán por detrás. Por tanto, si la ambulancia se nos acerca, percibiremos un sonido de mayor frecuencia, un sonido más agudo y si se aleja un sonido de menor frecuencia, un sonido más grave.

Exactamente lo mismo ocurre para la luz. Si una estrella emite luz mientras se acerca a la Tierra (por un movimiento de oscilación, como efecto de su órbita dentro de un sistema estelar múltiple, por ejemplo), su luz se verá ligeramente azulada, mientras que si se aleja, la luz se verá anaranjada. Esto es especialmente perceptible para los espectros de emisión. Al tener cada átomo y molécula un espectro muy concreto, consistente en la emisión de luz de unos ciertos colores muy específicos, si detectamos un espectro con la misma distribución que el de, por ejemplo, el carbono, pero todo él desplazado hacia longitudes de onda menores (mayor energía y por tanto más azulado), sabremos que la fuente de dicha luz no solo contenía carbono sino que además se acercaba a la Tierra al emitir esa luz. En función de cuán desplazadas estén las líneas del espectro podremos medir su velocidad relativa.

Este “enrojecimiento” de la luz, o desplazamiento al rojo (o al azul) también puede producirse como consecuencia de la expansión del universo. De esta forma observamos que las galaxias lejanas muestran un desplazamiento al rojo sistemático (es decir, su luz es menos energética de lo que debería) y que este desplazamiento es mayor cuanto más lejos se encuentran de nosotros. Podemos entender este fenómeno como que la expansión del espacio que separa la fuente del receptor provoca una expansión de la propia longitud de onda de la luz. Longitud de onda mayor significa luz más roja y de ahí el desplazamiento observado.

Por tanto analizando en detalle la luz proveniente de diferentes objetos astronómicos podremos aprender muchísimo de ellos y, por inferencia, de su funcionamiento interno.

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.

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