Llamas más allá de Orión

Seguimos hablando de la radiación electromagnética, la luz en el sentido físico de la palabra. En los tres últimos artículos hemos hablado de los fotones visibles, los que capta nuestro ojo, los rayos-X que emite el gas muy caliente como el que hay en los cúmulos de galaxias, y los fotones infrarrojos, que dominan la emisión de energía con la que todo baña el universo. Queremos hoy ejercer de Coco y explicar dos conceptos básicos de la vida diaria, también muy útiles para los astrofísicos: opaco y transparente.

Opaco es algo que impide el paso de la luz. Aquí viene la primera sorpresa, lo contrario de opaco según la RAE, nos debimos perder el capítulo de Coco, no es transparente, que no es algo que deje pasar toda la luz, sino que “deja aparecer las cosas a través suyo con nitidez”, sutil diferencia. Algo que permite el paso de luz en su totalidad o, según la RAE, casi, es diáfano. Verdaderamente ese “casi” es físicamente correcto porque todo absorbe algo de luz, algo de energía en forma de ondas electromagnéticas, de un tipo u otro, ¡por algo todo está a una determinada temperatura, no hay a nada a 0 grados (Kelvin, no centígrados)!

Si buscamos en Google “ejemplos de cosas opacas”, nos da una lista que empieza por metal. ¿Por qué el metal es opaco? Pues volvemos, como en el primer post de esta serie, al tema favorito de los astrofísicos: la interacción de la luz con la materia. Toda la materia normal que conocemos, como por ejemplo un metal, está compuesta por neutrones, protones y electrones. Los electrones son muy “sociables” con lo que respecta a los fotones, por algo son partículas cargadas y la luz es un campo electromagnético. Si un fotón visible que viene de una bombilla incide sobre un metal se encontrará con un montón de electrones que pueden moverse libremente entre los átomos del metal, la esencia del metal está precisamente en ese tipo de estructura electrónica. Esos electrones fácilmente absorberán la energía del fotón, se acelerarán (se calentará el metal), pero tenderán a frenarse y volver a emitir la energía. Se puede decir que la energía, la luz, es reflejada, y por eso los metales aparecen brillantes. También se puede decir que reflejan la luz, no la dejan pasar, son opacos.

Para que un electrón de las moléculas del cristal escape de su confinamiento necesita bastante energía y la que le puede dar un fotón visible no es suficiente. Así que los fotones pasan a través del cristal prácticamente sin interaccionar con ningún electrón

¿Qué pasa entonces con las cosas transparentes, como los cristales de una ventana? Las moléculas que componen el cristal no dejan escaparse a los electrones, estos no están libres como en los metales sino bastante confinados, ahora que esta palabra se usa continuamente. Para que un electrón de las moléculas del cristal escape de su confinamiento necesita bastante energía y la que le puede dar un fotón visible no es suficiente. Así que los fotones pasan a través del cristal prácticamente sin interaccionar con ningún electrón. Ahora, si el fotón es muy energético, entonces puede ser capaz de excitar a esos electrones confinados y el cristal se volvería opaco. Es lo que pasa con muchas ventanas, que son transparentes para la luz que vemos con los ojos, pero se vuelven opacas para la luz ultravioleta de tipo UVB o UVC, que produce quemaduras en la piel, mientras que la UVA, menos energética, aún es capaz de pasar a través de los cristales normales de una ventana y nos pone morenos.

En el universo la diferencia entre opaco y transparente se vuelve más complicada. Por ejemplo, hablamos de la famosa Nebulosa de Orión, que es observable a simple vista. Con un telescopio de aficionado veremos zonas brillantes y zonas bastante oscuras. En las zonas oscuras el material es un gas compuesto por moléculas de hidrógeno y de monóxido de carbono, entre otros compuestos. No es muy denso para nuestros estándares, unas decenas de miles de millones de moléculas por cada volumen equivalente a una habitación. Comparado con los casi un cuatrillón de moléculas de aire que llenarían la misma habitación en la Tierra, esas regiones deberían ser bastante transparentes. Y sin embargo son tan increíblemente grandes para lo que estamos acostumbrados que un fotón óptico proveniente de una estrella más allá de la Nube de Orión tarda varios años en atravesarlas y al final la probabilidad de encontrarse con un electrón y ser absorbido es altísima. Decimos que esa estrella está oscurecida. De hecho, de las regiones más oscurecidas de la Nube de Orión solo nos llegan uno de cada billón de fotones visibles.

Los fotones infrarrojos interaccionan con la materia mucho menos que los ópticos que ven nuestros ojos, así que pueden atravesar medios muy densos y viajar mayores distancias que lo que haría un fotón visible

Sin embargo, los fotones infrarrojos de los que hablábamos en nuestro último artículo interaccionan con la materia mucho menos que los ópticos que ven nuestros ojos, así que pueden atravesar medios muy densos y viajar mayores distancias que lo que haría un fotón visible, que es más propenso a encontrarse con algún electrón y ser absorbido. Con luz infrarroja podemos ver cosas que están detrás de materiales que son opacos a la luz visible, tanto mejor cuanto menor sea la energía de los fotones. Si el Predator hubiera tenido mejor tecnología y más sensibilidad a lo que llamamos fotones del infrarrojo medio o lejano, comparado con el infrarrojo cercano, hubiera visto a Schwarzenegger aún estando cubierto de barro. Y con telescopios infrarrojos como Spitzer y Herschel hemos estudiado estrellas jóvenes rodeadas de las nubes “densas” de gas y polvo que las ven nacer, hemos visto llamas más allá de Orión, parafraseando a Roy Batty.

Con ese mismo tipo de observatorios astronómicos infrarrojos hemos logrado observar lo que pasa en zonas como el centro de nuestra Galaxia, algo imposible cuando nuestros telescopios solo eran sensibles a fotones ópticos como los que detecta nuestro ojo. Hay demasiado material entre nosotros y el núcleo galáctico, tanto que solo nos llega uno de cada diez mil millones de fotones ópticos que salen de estrellas en el mismo centro de la Vía Láctea, en lo que se conoce como región Sagitario A*. Pero cuando se desarrollaron detectores infrarrojos fuimos capaces de penetrar en todo ese material y ver estrellas orbitando alrededor de un, bueno, nuestro agujero negro supermasivo, algo que ha valido un premio Nobel para Andrea Ghez y Reinhardt Genzel.

Los telescopios y detectores infrarrojos nos permiten “ver” cosas que permanecían oscurecidas y ocultas por la inmensidad del espacio. Hoy nada “se pierde en el tiempo, como lágrimas en la lluvia”, todos los fotones que nos llegan nos son útiles, somos capaces de captarlos y nos revelan los secretos del universo. Es nuestra mayor, casi única, fuente de información, la luz de cualquier tipo. Pero esa dependencia de la luz también es nuestro talón de Aquiles, porque ¿y si mirar no es la única ni siquiera la mejor forma de conocer el universo?

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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