Más allá de lo que el ojo ve: el espectro electromagnético

Aprendemos del mundo que nos rodea gracias a nuestros sentidos. Nuestros ojos juegan un papel importante, porque la luz contiene información importante sobre su la fuente emisora y sobre los objetos que la reflejan o la absorben. Los humanos, como la mayoría de los animales tenemos un sistema visual que recoge las señales luminosas y las transmite al cerebro. Sin embargo, nuestros ojos sólo son sensibles a una pequeña parte del espectro electromagnético; somos ciegos a todo menos a aquello que llamamos ‘luz visible’.

¿O no? A lo largo del siglo XIX los científicos descubrieron y visualizaron algunos tipos de luz invisible hasta entonces: ultravioleta (UV), infrarrojo, (IR), rayos X y rayos gamma, ondas de radio y microondas. Pronto se hizo evidente que la luz y estas nuevas formas de luz no eran más que manifestaciones del mismo fenómeno: las radiaciones electromagnéticas (EM) (ver Figura 1).

Las radiaciones electromagnéticas se diferencian por su energía: los rayos gamma son los más energéticos, seguidos de los rayos X, rayos ultravioleta, visible e infrarrojo. Las radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda mayores que el infrarrojo se denominan ondas de radio. Están divididas en ondas submilimétricas, microondas y ondas de radio largas. Las radiaciones electromagnéticas son ondas que se propagan incluso en el vacío. La energía (E) depende de la frecuencia (f): E = hf, donde h es la constante de Planck, llamada así en honor al físico alemán Max Planck. La relación entre la frecuencia y la longitud de una onda EM está dada por la ecuación fλ = c, en la que c es la velocidad de la luz en el vacío. Con estas dos fórmulas se pueden describir las radiaciones electromagnéticas en términos de energía, frecuencia o longitud de onda.

Las radiaciones de diferentes energías (o longitudes de onda o frecuencias) se generan en procesos físicos diferentes y se pueden detectar de maneras diferentes y por ello la luz, las ondas de radio y las UV, por ejemplo, tienen aplicaciones diferentes en nuestra vida cotidiana.

Hacia finales del siglo XIX los científicos comenzaron a investigar cómo ‘ver’ los objetos astronómicos como las galaxias y estrellas registrando la radiación que estos cuerpos emiten en longitudes de onda no visibles. Lo primero fue vencer la barrera de la atmósfera terrestre.

La atmósfera es transparente a la luz visible y por ello muchos animales desarrollaron ojos sensibles a esta parte del espectro.

Una fracción muy pequeña del resto del espectro puede atravesar las capas de nuestra atmósfera (Figura 2).

• Los rayos X y gamma, con longitudes de onda similares o menores que los átomos, son absorbidas por el oxígeno y el nitrógeno de las capas altas de la atmósfera. Esto protege la vida terrestre de las radiaciones letales, pero dificulta que los astrónomos la detecten.

• La mayoría, no toda, la radiación ultravioleta es absorbida por el oxígeno y el ozono de la atmósfera y la estratosfera. La evolución ha dotado a algunos animales de ojos capaces de detectar estas radiaciones^w1.
• El infrarrojo próximo, de longitudes de onda más cortas, puede atravesar la atmósfera, pero cuando el IR alcanza longitudes de onda de 1 micra es absorbido por el vapor de agua y otras moléculas de la atmósfera.
• Lo mismo sucede con la radiación submilimétrica –las ondas de radio desde unos cientos de micras hasta 1 milímetro- y las microondas. Se pueden observar usando instalaciones terrestres en lugares muy elevados con un clima muy seco (como explican Mignone & Pierce-Price, 2010), o con la ayuda de globos o experimentos fuera de la atmósfera.
• La atmósfera es transparente para las ondas de radio de longitudes medianas, fácilmente observables desde la superficie terrestre, pero bloquea las ondas de radio de más de 10 metros.

Más sobre la ESA

La Agencia Europea del Espacio (ESA)^w2 es la mayor ventana al espacio; organiza programas para saber más sobre la Tierra, sus alrededores más próximos, nuestro Sistema Solar y el Universo. También coopera en la exploración con naves tripuladas, en el desarrollo de tecnologías y servicios basado y promueve las industrias europeas.

La división de Ciencia y Exploración Robótica está dedicada al programa de investigación espacial y a la exploración robótica del Sistema Solar. En el intento de comprender el Universo, las estrellas, los planetas e incluso el origen mismo de la vida, los satélites espaciales de la ESA escudriñan las profundidades del cosmos y miran a las galaxias más lejanas, estudian el Sol con un detalle nunca visto y exploran nuestros planetas vecinos.

ESA es miembro de EIROforum^w5, editor de Science in School.

La opacidad de la atmósfera no es el único reto al que se enfrentan los astrónomos, también su turbulencia dificulta observaciones astronómicas de calidad incluso en regiones del espectro que llegan a la superficie terrestre, como la luz visible. Para resolver esta limitación, en la segunda parte del siglo XX vio en nacimiento de la era espacial, los astrónomos comenzaron a lanzar sus telescopios fuera de la atmósfera, al espacio exterior. Así comenzó una revolución en astronomía comparable a la invención del telescopio, unos 400 años antes.

Las emisiones en diferentes longitudes de onda están basadas en diferentes procesos físicos, por eso hay fuentes de radiación que emiten en más de una región. Aprovechando tanto los telescopios terrestres como los espaciales, los astrónomos pueden combinar las observaciones a lo largo de todo el espectro y obtener una imagen del Universo hasta ahora desconocida y tremendamente sugerente (Figura 3 y Figura 4). Las observaciones en la zona infrarroja, por ejemplo, muestran la, hasta entonces desconocida, mezcla de polvo y gas que llena el espacio interestelar y que es el lugar donde nacen nuevas estrellas. Los fenómenos más violentos del Universo, como los agujeros negros devorando materia o las explosiones de las supernovas se pueden observar en la región de los rayos X y gamma.

Observar los cielos: astronomía desde observatorios terrestres

Para complementar los telescopios espaciales de la ESA existen los observatorios terrestres del European Southern Observatory (ESO)^w4. Para minimizar la distorsión causada por la atmósfera terrestre, los telescopios del ESO están ubicados en el norte de Chile, una de las mejores ubicaciones para las observaciones astronómicas en el hemisferio sur gracias a su altitud y la sequedad de su atmósfera.

Al igual que la ESA, el ESO realiza observaciones en diferentes regiones del espectro. El Gran telescopio del ESO (Very Large Telescope (VLT)) es el más avanzado del mundo en el rango del visible y el infrarrojo. Consta de cuatro telescopios de 8’2 metros de diámetro y otros cuatro más pequeños que pueden trabajar como un interferómetro y permitir observaciones aún más detalladas. Ahora se está construyendo en el desierto de Atacama, el ALMA, el mayor proyecto astronómico en observatorios terrestres que está en marcha. Es el resultado de la colaboración entre el ESO y otros socios internacionales. El ALMA detectará radiaciones milimétricas y submilimétricas y permitirá a los astrónomos observar algunos de los objetos más fríos y lejanos del Universo con mucha más resolución y mejor detalle de lo que actualmente es posible (Mignone & Pierce-Price, 2010).

ESO is miembro de EIROforum^w5, editor de Science in School.

Uno de los objetivos científicos de la Agencia Europea del Espacio (ESA; ver recuadro)^w2, es el estudio de Universo en diferentes regiones del espectro electromagnético. Actualmente hay cinco misiones en marcha dedicadas a la astronomía (ver Figura 5). En orden creciente de energías están las siguientes misiones: Planck (submilimétricas y microondas), Herschel (IR), Hubble Space Telescope (visible, y también algo de IR y de UV), XMM-Newton (rayos X), e INTEGRAL (rayos X y rayos gamma)^w3.

En próximos artículos en Science in School exploraremos el espectro electromagnético con mayor detalle con la ayuda de la flota de telescopios espaciales, actuales y del pasado, que han contribuido a remodelar nuestra comprensión del Universo.