La luz se crea allá donde mires

No vemos todo lo que existe, nuestro ojo está muy limitado porque solo detecta un tipo de luz, fotones ópticos. En algunos lugares del Universo, la materia que “vemos” a través de otros tipos de luz, por ejemplo, la captada por detectores de rayos-X, puede llegar a ser mucho más abundante que la que emite fotones ópticos. Eso es lo que hemos tratado en los dos últimos artículos. En el primero también explicamos cómo funciona la visión: luz creada por el Sol o una bombilla incide sobre los objetos, parte se refleja y es detectada por nuestros ojos e interpretada por nuestro cerebro, lo que nos permite conocer muchas características del objeto que tenemos delante. Pero ¿qué pasa si no hay ninguna luz que ilumine los objetos? ¿Es posible que los objetos absorban toda la luz y no reflejen nada?

Intentamos responder a la primera pregunta con un ejemplo. Entramos en una habitación donde no hay luz y no entra nada de sol, está completamente oscura, así que ningún fotón de una fuente de luz (en el sentido clásico de la palabra, luz visible) se reflejará en los objetos y serán invisibles para nuestro ojo, no vemos nada. Por tanto, para nosotros no existe nada de lo que hay en la habitación, nuestros ojos no lo ven, sería “materia oscura” siguiendo la definición de cosas que no vemos con fotones ópticos. Tampoco veríamos esas cosas con un detector de rayos-X de los que hablábamos en nuestro último artículo: las cosas que normalmente hay en una habitación no emiten rayos-X.

En realidad, las cosas que están en una habitación oscura sí se pueden detectar por medio de luz. La razón es que todo, absolutamente todo, emite luz, un tipo de luz en el sentido físico que no clásico de la palabra, radiación electromagnética. Todo emite luz, incluso las personas ahora mismo estamos bañando el universo con fotones. Todo lo que está a una determinada temperatura emite luz. Esto es algo que sabemos desde el último año del siglo XVIII. En 1800 Frederick William Herschel publicó los resultados de un experimento en el que pretendía demostrar que cada color del arcoíris calienta la materia de manera diferente, a cada uno le corresponde una temperatura. Para ello hizo pasar rayos de luz por un prisma para separarlos en colores y midió la temperatura de cada uno de ellos, corroborando su hipótesis. No es lo que buscaba, pero en el mismo experimento descubrió que si ponía el termómetro más allá de la zona donde veía luz, ¡el termómetro marcaba incluso mayor temperatura que en el rojo! Herschel dijo que existían unos rayos caloríficos, mucho menos comercial que llamarlos rayos-X. Pero de nuevo un gran descubrimiento fue fortuito, no buscado, como el de Rötgen.

Las partículas de las que estamos compuestos se mueven, más rápidamente cuanto más calientes estamos. Esa es la definición física de temperatura: movimiento de partículas

Las partículas de las que estamos compuestos se mueven, más rápidamente cuanto más calientes estamos. Esa es la definición física de temperatura: movimiento de partículas. Las partículas, al moverse, tienden a relajarse y frenarse, lo que significa que nos enfriamos. Física de secundaria: la energía de una partícula en movimiento, cinética se llama, depende de su velocidad; si baja la velocidad, baja su energía. ¿Dónde va esa energía? Más física de secundaria: la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma. Así que la energía perdida al enfriarnos se radia en forma de ondas electromagnéticas, de luz. Estamos creando luz constantemente, ¡somos seres luminosos, todo es luminoso! Pero esas ondas no son como las que capta nuestro ojo, que explicamos que son un campo electromagnético que varía entre 400 a 750 billones de veces por segundo. Las ondas que emite predominantemente un cuerpo a unos 36.5 grados centígrados de temperatura tienen una frecuencia más baja, son fotones de menor energía que llamamos infrarrojos o térmicos, y equivalen a campos que varían menos de 400 billones de veces por segundo (el límite que ve nuestro ojo), hasta unas 300 mil millones de veces por segundo.

Es imposible parar por completo el movimiento de las partículas. Por lo tanto, toda la materia que conocemos, formada por electrones, protones, neutrones, emite luz y el tipo, su frecuencia o energía dependen de su temperatura

Todo lo que está a una temperatura determinada emite, y no hay nada que tenga una temperatura 0 en la escala Kelvin (-273.15 grados centígrados), que define el cero absoluto. De hecho, las leyes de la termodinámica prohíben que nada pueda alcanzar este límite. Es imposible parar por completo el movimiento de las partículas. Por lo tanto, toda la materia que conocemos, formada por electrones, protones, neutrones, emite luz y el tipo, su frecuencia o energía dependen de su temperatura. Esa luz emitida es sobre todo infrarroja para temperaturas de unas decenas de grados centígrados como la que tenemos nosotros.

Con esto en mente, ya podemos decir que si cogemos una cámara fotográfica normalita, que tienen detectores de luz sensible a fotones térmicos que nuestro ojo no ve, o si somos un Predator y tenemos visión infrarroja, podremos detectar cosas que no reflejan luz, pero que la emiten por sí mismas, la habitación oscura del ejemplo será bastante luminosa. De manera análoga, con telescopios infrarrojos podemos detectar astros que no están tan calientes como las estrellas. Así hemos logrado ver planetas extrasolares directamente, porque pueden ser más brillantes que su propia estrella en el infrarrojo. Y hemos logrado ver incluso sistemas planetarios en formación o concentraciones de material que están en proceso de formar estrellas dentro de nubes de gas a unas pocas decenas de grados por encima del cero absoluto. Todo gracias a la radiación infrarroja y a telescopios como Spitzer o Herschel.

Hoy los telescopios y detectores infrarrojos nos permiten “ver” material interestelar e intergaláctico formado por gas y polvo bastante fríos, a decenas y centenares de grados centígrados bajo cero, cerca del cero absoluto. En algún momento de la historia del universo no había estrellas, todo era gas, así que la “materia oscura”, según la definición sencilla (y errónea) con la que empezamos esta serie de entradas dedicadas a la luz, era el 100% del Universo, no había fotones ópticos creados por estrellas como hay hoy. En la actualidad todavía debe haber mucho más material en forma de gas frío que en forma de estrellas en el Universo, al menos 10 veces más, así que domina lo que no emite prácticamente ningún fotón óptico de los que nuestro ojo ve. Pero todo es luminoso, emite luz, y hoy podemos detectarlo; con telescopios de rayos-X (o incluso de rayos gamma), telescopios ópticos más clásicos, o telescopios infrarrojos (o incluso radiotelescopios). No se nos escapa ningún tipo de fotón, y aun así, creemos, mucha materia exótica permanece escondida.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Patricia Sánchez Blázquez es profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM)

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo.

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