Espectros I: el Espectro Electromagnético

En un post anterior, vimos la importancia que tuvo la espectroscopía en el nacimiento de la Astrofísica. Vimos cómo, desde el descubrimiento del fenómeno de dispersión de la luz por Newton hasta la identificación de la naturaleza de las líneas espectrales, la Astronomía avanzó tanto que nos permitió saber no sólo cómo se mueven regularmente los cuerpos en el espacio exterior, sino también sus composiciones, temperaturas, etc. Ahora, nos adentraremos un poco en explicar qué entendemos por espectro, y por qué nos permite obtener tanta información.

Debido a lo largo del tema, dividiremos el post en dos secciones. La primera, enfocada a explicar cuáles son las distintas formas que puede tomar la luz y cómo se forma el espectro continuo. Y la segunda, dedicada a la formación de las líneas espectrales.

Fantasmas de Estrellas

Buscando la definición de “espectro” en la RAE encontramos:

1. m. fantasma (imagen de una persona muerta).

2. m. Fís. Distribución de la intensidad de una radiación en función de una magnitud característica, como la longitud de onda, la energía, la frecuencia o la masa.

Sí, así como lo lee: espectro significa fantasma. A modo de ejemplo, los Caballeros Dorados regresan como espectros al revividos por Hades (Caballeros del Zodiaco, Saga de Hades. Si no conoce los Caballeros del Zodiaco y/o nunca los vio, ignore este comentario).

Pero naturalmente nosotros, al hablar de espectros, nos referimos a la segunda denominación: la forma en que la radiación proveniente de la estrella (o de cualquier cuerpo que emita radiación) se comporta a las distintas frecuencias que componen la luz (si no entiende a qué me refiero no se preocupe, lo explicaremos luego con más detalle). La relación entre ambos conceptos al parecer proviene de que, un fantasma, es la representación de un ser vivo pero habitando en otro “plano” (no en el plano físico en el cual podríamos verlo, sino en otro invisible para nosotros); y sólo notaríamos su presencia en el mundo real por los efectos que produce sobre éste (mover cosas, ruidos extraños, etc.), o podemos develarlo mediante algún artilugio fantástico (la literatura está llena de ejemplos, busque usted). De la misma forma, el espectro de un cuerpo que emite radiación es la representación de éste pero en un plano que no podemos ver a simple vista, como es el de las distintas frecuencias que componen la luz. Y para develar estos espectros, recurrimos a alguna técnica especial, pero ahora no a la magia sino que a las Leyes de la Física.

Entonces, ¿cómo obtenemos el “fantasma” de una estrella? Y más importante aún: ¿qué podemos saber de él?

La Luz como una Onda

fig-3

La luz, como cualquier onda, se mueve con cierta frecuencia. La frecuencia corresponde al número de oscilaciones que completa en un segundo y se mide en Hertz o en 1/segundo. La distancia que la onda avanza en cada oscilación se llama longitud de onda y se mide en metros. Multiplicando ambas se obtiene la velocidad de la onda que, en el caso de la luz, es constante (300 000 km/s). Así, cada frecuencia tiene su longitud de onda específica asociada, por lo que podemos hablar de ambas como si fueran lo mismo.

Físicamente hablando, la luz es una onda electromagnética, lo cual significa que se produce por la interacción de un campo eléctrico y uno magnético. Esto se lo debemos a James Clerk Maxwell, quien gracias a las ecuaciones que llevan su nombre se dio cuenta que los campos eléctrico y magnético podían oscilar, y a partir de esas oscilaciones se formaba una onda que se propagaba en sentido perpendicular a dichos campos: la luz.

Puesto que la luz acarrea también energía, llamamos a la luz también radiación electromagnética. Dependiendo de su frecuencia (o de su longitud de onda), la radiación tomará la forma de ondas de radio, luz visible, rayos ultravioleta, rayos X, entre otros. Todos estos tipos distintos de radiación (las cuales todas se propagan a la velocidad de la luz, y cuya única diferencia es el valor de la frecuencia), están comprendidos en el Espectro Electromagnético:

Espectro electromagnético, mostrando los tipos de radiación desde las longitudes de onda más largas (menos energéticas) hasta las más cortas (más energéticas).

Ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma no son más que distintos tipos de radiación electromagnética con diferentes longitudes de onda. Lo que entendemos como “luz” no es más que una pequeña región del espectro electromagnético a la cual nuestros ojos se adaptaron a ver (luz visible). Las distintas longitudes de onda dentro de este rango (entre ~380 y ~750 nanómetros, siendo mil millones de nanómetros iguales a un metro) es lo que conocemos como colores, desde el rojo (más largo) al violeta (más corto), mientras que todas las longitudes fuera de este rango son invisibles para nosotros.

Longitudes de onda más largas, como las ondas de radio, pueden atravesar casi cualquier cosa y por ello son útiles para propagar información (radio, televisión, celulares). Longitudes de onda más cortas son más energéticas, pueden penetrar la piel y por tal motivo son más peligrosas, aunque también tienen sus aplicaciones prácticas por ejemplo en la medicina.

Nótese que en este caso “espectro electromagnético” no significa “fantasma” ni nada parecido, simplemente significa el abanico de posibles longitudes de onda existentes desde las más largas hasta las más cortas (de forma análoga a como el espectro político muestra todas las tendencias políticas existentes desde la ultra izquierda a la ultra derecha).

Distribución de Radiación

La radiación electromagnética es emitida por cualquier cuerpo que posea energía térmica, es decir, por cualquier objeto que tenga una temperatura distinta de 0 Kelvin (cero absoluto, -273.16ºC). De hecho, nosotros mismos emitimos luz infrarroja, y por tal motivo somos visibles en la oscuridad si nos están observando con visión nocturna:

Sin embargo, esto no significa que los cuerpos emitan SÓLO en una frecuencia (o longitud de onda) específica. El rango de longitudes de onda en que se irradia es mucho más amplio, y el cálculo que hicimos previamente sólo nos muestra a qué longitud se produce el peak de radiación. La intensidad de la radiación emitida no es la misma para todas las longitudes de onda: se distribuye de forma dispareja (ver última imagen) y alcanza un valor máximo en cierta longitud específica (longitud peak).

Así, la luz blanca es una combinación de todos los colores. Ésa es la razón por la cual la luz, al dispersarse, forma un arcoiris (efecto descubierto por Newton).

¿Por qué la luz se dispersa al atravesar un prisma? La luz, cuando pasa de un medio a otro, sufre un fenómeno llamado refracción, el cual provoca que los rayos de luz incidente cambien su trayectoria. Esta refracción no afecta a todas las longitudes de onda por igual, aquéllas con longitud más corta sufrirán más el efecto. Como consecuencia, al entrar un haz de luz compuesto por varias longitudes de onda, éstas se separarán al sufrir diferentes grados de refracción. Luego, la luz saldrá del prisma separada en los distintos colores.

Este efecto se observa de forma natural en los arcoiris formados después de la lluvia. En este caso, las gotas de agua suspendidas en el aire actúan como prismas, y dispersan la luz proveniente del Sol.

La luz de las estrellas se descompone no sólo en los colores del arcoiris, sino también en las otras frecuencias “invisibles”, como el infrarrojo, el ultravioleta, los rayos X y las ondas de radio. La forma de hacerlo es la misma usada por Newton: se hace pasar la luz por un prisma para que las distintas longitudes de onda componentes se separen y se proyecten en alguna pantalla. Esto es precisamente, la distribución de la luz en función de las distintas frecuencias que la componen, es decir, el espectro de una estrella de acuerdo a la definición 2 de la RAE.

Finalmente entonces, haciendo que la luz se disperse al atravesar un prisma, y proyectando el arcoiris resultante en una pantalla es posible develar entonces el “fantasma” de una estrella. En la actualidad, los espectrómetros utilizados para obtener los espectros de las estrellas siguen el mismo principio: entra la luz, pasa por una red de difracción (análogo al prisma) y luego se dirige hacia el detector.

Fantasmas de Colores

Al develar espectros, se observa que el color de una estrella corresponde a la frecuencia en donde se produce el peak de radiación. Por ejemplo, el Sol es amarillo-blanco porque su peak de radiación se da en la longitud de onda cerca de los 500 nanómetros, que corresponde a ese color. Las estrellas rojas tienen su peak de radiación cerca de los 700 nanómetros o más. Las estrellas azules tienen su peak en el rango ultravioleta, pero las vemos azules porque el ultravioleta es invisible para nosotros. Esto se aprecia mejor en el dibujo siguiente:

Espectros (intensidad de radiación en función de la longitud de onda) de estrellas a distintas temperaturas, y sus respectivos colores. Un angstrom equivale a 0.1 nanómetros (0.0 000 000 001 metros).

En esta entrada hablamos de los distintos colores de las estrellas y qué significan. Por ahora, vemos que la descomposición de la luz (su espectro) nos permite saber cómo brilla una estrella a distintas frecuencias. Esta frecuencia en donde se produce el peak está directamente relacionada con la temperatura gracias a la Ley de Wien (una ley derivada del “problema de cuerpo negro“, el cual fue uno de los problemas fundamentales que llevó al desarrollo posterior de toda la Mecánica Cuántica), siendo la estrella más caliente mientras mayor es la frecuencia peak (o menor sea la longitud de onda peak). Vemos entonces que es posible determinar una propiedad física de la estrella (en este caso la temperatura) a partir del espectro.

A esta distribución le llamamos “espectro continuo” debido a que tiene una forma suave, sin líneas extrañas. Sin embargo, no es el espectro continuo en sí el que nos entrega la información más importante de la estrella, sino que lo hacen unas pequeñas líneas que se observan en el espectro. Para entenderlas, debemos olvidar momentáneamente eso de que la luz es una onda, y pensar en ella como una partícula, tal como veremos en el post siguiente.

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6 comentarios en “Espectros I: el Espectro Electromagnético

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