La Luz y la Astrofísica

El filo de la galaxia

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 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. Es cierto que existen métodos alternativos para estudiar el Universo, como el análisis de meteoritos y rocas lunares, la detección de partículas energéticas como rayos cósmicos y neutrinos, o quizá el uso de ondas gravitatorias si éstas existen realmente. Pero la principal herramienta que tenemos en la actualidad para investigar el Cosmos es mediante el estudio de la radiación que nos llega de él. 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. Además del enorme derroche económico que supone, la contaminación lumínica tiene un nocivo impacto sobre el ecosistema, incrementa los gases de efecto invernadero y hace disminuir la visibilidad de los objetos celestes.

Desgraciadamente la contaminación lumínica hace que gran parte de la Humanidad no pueda disfrutar de un cielo completamente estrellado. ¿Cómo se ve el firmamento desde un lugar oscuro? El siguiente vídeo time-lapse muestra el ejemplo del Observatorio de Siding Spring (Australia). En este observatorio se encuentra el Telescopio Anglo-Australiano (AAT), propiedad del Australian Astronomical Observatorio (AAO), que es donde yo trabajo en la actualidad. La oscuridad del lugar permite observar en su plenitud tanto la Vía Láctea (la banda lechosa que cruza el cielo) como multitud de objetos astronómicos que pueden verse sin problema a simple vista: las Nubes de Magallanes, las nebulosas de Orión y Carina, o los cúmulos estelares de las Pléyades y las Hyades.

Por otro lado, 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. En cualquier caso, los astrofísicos necesitamos “dirigir” la luz de los objetos celestes a un detector que transforma la energía luminosa en energía eléctrica.

Es así como se han desarrollado las cámaras con chips CCD (del inglés, Charge-Couple Device) que luego se han popularizado en móviles inteligentes y cámaras digitales. Para dirigir la luz que recibe un telescopio a estos detectores se han creado sofisticados dispositivos ópticos. Algunos de estos sistemas están basados en fibras ópticas y han creado la rama de la Astrofotónica, cuyas aplicaciones industriales y médicas están aún por explotar. Precisamente el AAO, junto con la Universidad de Sydney y la Universidad de Macquarie (Australia), son pioneros en campo de la Astrofotónica. No sólo desarrollan instrumentos de última generación para el AAT, sino que también los fabrican para otros grandes telescopios en Chile y Estados Unidos. El siguiente vídeo muestra como la luz del Cosmos es estudiada en el AAT: primero se recoge con el espejo principal del telescopio (4 metros de tamaño) y luego se lanza mediante fibra óptica hacia una sala donde se encuentra un instrumento (el espectrógrafo AAOmega) que descompone la luz en todos sus colores, de forma similar a como un prisma descompone la luz blanca en un arco iris. Este arco iris artificial es luego enfocado y recogido por una chip CCD.

En concreto, este vídeo muestra como 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 obtenidos con el AAT y el espectrógrafo AAOmega. 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.

El vídeo anterior muestra dos casos de galaxias, pero en realidad el AAT permite estudiar unas 350 galaxias simultáneamente. Esto se consigue gracias al robot “2dF”, que es capaz de configurar hasta 400 fibras ópticas para observar a la vez estrellas o galaxias localizadas en un trozo de cielo con un diámetro equivalente al de cuatro lunas llenas. Algunas de las fibras ópticas se usan para guiar adecuadamente el telescopio o para calibración. En efecto, el AAT es pionero es sondeos profundos de galaxias, no en vano es responsable de alrededor de 1/3 de todas las distancias a galaxias que se conocen hoy día. El sondeo de galaxias más reciente efectuado en el AAT es GAMA (“Galaxy And Mass Assembly”), que ha sido capaz de analizar la luz de más de 300 mil galaxias localizadas en zonas muy concretas del cielo. El siguiente vídeo muestra la posición tridimensional de una de las zonas celestes observadas con GAMA. Este vuelo simulado incluye la posición real de las galaxias, junto con imágenes reales de cada una. Las distancias están a escala, aunque las imágenes de las galaxias se han ampliado enormemente para su mejor visualización.

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 bonito ejemplo observaciones de la galaxia M 101 usando distintas “luces” 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.

Imagen: Mosaico mostrando seis vistas de la galaxia M 101 a distintas longitudes de onda. Crédito de las imágenes: Datos en rayos X (Chandra): NASA/CXC/JHU/K.Kuntz et al,; datos en UV (GALEX): Gil de Paz et al. 2007, ApJS, 173, 185; datos en filtros R y Hα (KPNO): Hoopes et al. 2001, ApJ, 559, 878; datos en infrarrojo cercano (2MASS): Jarrett et al. 2003, AJ, 125, 525, datos a 8 micras (Spitzer): Dale et al. 2009, ApJ, 703, 517; datos en la línea de 21cm de HI (VLA): Walter et al. 2008, AJ, 136, 2563, ”The H I Nearby Galaxy Survey”. Crédito de la composición: Ángel R. López-Sánchez (AAO/MQ).
Imagen: Mosaico mostrando seis vistas de la galaxia M 101 a distintas longitudes de onda. Crédito de las imágenes: Datos en rayos X (Chandra): NASA/CXC/JHU/K.Kuntz et al,; datos en UV (GALEX): Gil de Paz et al. 2007, ApJS, 173, 185; datos en filtros R y Hα (KPNO): Hoopes et al. 2001, ApJ, 559, 878; datos en infrarrojo cercano (2MASS): Jarrett et al. 2003, AJ, 125, 525, datos a 8 micras (Spitzer): Dale et al. 2009, ApJ, 703, 517; datos en la línea de 21cm de HI (VLA): Walter et al. 2008, AJ, 136, 2563, ”The H I Nearby Galaxy Survey”. Crédito de la composición: Ángel R. López-Sánchez (AAO/MQ).

En cualquier caso, 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.

El siguiente vídeo muestra como ejemplo una simulación por ordenador que predice la evolución de una galaxia del tipo espiral como la Vía Láctea desde poco después del Big Bang hasta nuestros días. La simulación, que supone que el Universo está dominado por energía oscura y materia oscura, separa las estrellas viejas (en color rojo) de las estrellas jóvenes (en color azul), además del gas difuso que se observa en luces de radio y que está disponible para formar nuevas estrellas (en azul pálido). Las predicciones dadas por las simulaciones se comparan luego con las observaciones obtenidas por los telescopios profesionales para avanzar así en el entendimiento del Cosmos.

En resumen, es gracias al estudio de la luz por lo que sabemos dónde están, de qué están hechas y cómo se mueven las estrellas, las galaxias y todos los cuerpos que habitan el Universo. Muchos de los estudios del Cosmos que los astrofísicos realizamos en la actualidad combinan la observación y análisis de luces en distintos rangos, de rayos gamma a ondas de radio. En muchos casos, la tecnología empleada para ello sólo tiene unas pocas décadas de existencia y aún no hemos sido capaces de explotar todo su potencial. El estudio detallado de la luz que proviene del Cosmos permitirá grandes descubrimientos en los próximos años y, a la vez, impulsará nuevas tecnologías que se aplicarán en medicina y comunicaciones. Los métodos que se desarrollan en la actualidad en Astrofísica para estudiar la luz del Cosmos tendrán aplicación directa en nuestra vida cotidiana y mejorarán el estado de bienestar de nuestra sociedad, además de ahondar en la comprensión de ese vasto Universo en el que vivimos.

Este post es la versión en español de mi artículo Light and Astrophysics publicado originariamente en inglés en el blog del Año Internacional de la Luz 2015

Más información:

Vídeo1: Time-lapse “El Cielo sobre el Observatorio de Siding Spring”. Más información sobre este vídeo en http://angelrls.blogalia.com/historias/74888. Crédito: Ángel R. López-Sánchez (AAO/MQ).

Vídeo2: Rainbow Fingerprints, que muestra cómo la luz de las galaxias es recogida por el Telescopio Anglo-Australiano y, usando fibras ópticas, llevada al espectrógrafo AAOmega. Más información http://www.aao.gov.au/public/video/Rainbow-Fingerprints Producido por Amanda Bauer (AAO).

Vídeo3: “Vuelo sobre el Catálogo de galaxias de GAMA”, que muestra un mapa detallado del Universo donde las galaxias están en 3D. Más información: https://vimeo.com/88412829. Crédito: Realizado por Will Parr, Dr. Mark Swinbank y Dr. Peder Norberg (Durham University) usando datos de los sondeos SDSS (Sloan Digital Sky Survey) y GAMA (Galaxy And Mass Assembly).

Vídeo4: Modelo de ordenador mostrando la vida de una galaxia espiral. Esta simulación cosmológica sigue la evolución de una galaxia espiral sobre unos 13 500 millones de años. La simulación se corrió en el súper-ordenador Pleiades de NASA en Ames Research Center (Moffett Field, California, EE.UU.) y requirió alrededor de un millón de horas de CPU. Más información: http://www.nasa.gov/topics/universe/features/galaxy-evol.html. Crédito: F. Governato and T. Quinn (Univ. of Washington), A. Brooks (Univ. of Wisconsin, Madison), and J. Wadsley (McMaster Univ.).

Te invitamos a comentar y conversar sobre este artículo en nuestras redes sociales: Facebook y Twitter.