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

Author(s): Claudia Mignone, Rebecca Barnes

Traducido por José L. Cebollada. Claudia Mignone y Rebecca Barnes nos invitan a un viaje a través del espectro electromagnético y nos presentan la pléyade de misiones científicas de la Agencia Europea del Espacio, ESA, que nos están abriendo los ojos a un universo misterioso y oculto.

Imagen cortesía de ESA

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).

Esquema del espectro electromagnético con las frecuencias, longitudes de onda y energías
Imagen cortesía de ESA / AOES Medialab

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.

Figure 2: El espectro electromagnético y la opacidad de la atmósfera. a) Las capas altas de la atmósfera bloquean los rayos gamma, rayos X y los ultravioleta (se observan mejor desde el espacio) b) La luz visible se puede observar desde la Tierra con cierta distorsión causada por la atmósfera. c) La mayor parte del infrarrojo es absorbido por la atmósfera (se observa mejor desde el espacio). d) La radiación submilimétrica y las microondas se pueden observar desde la Tierra, pero la atmósfera absorbe longitudes de onda mayores de 10 metros
Imagen cortesía de ESA / Hubble / F Granato
Imagen cortesía de ESA

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).

Imagen cortesía de ESA
  • 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 radiacionesw1.
  • 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 EIROforumw5, 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.

Figura 3: La galaxia Andrómeda, la galaxia grande más próxima a la Vía Láctea, vista en diferentes longitudes de onda. Las observaciones en la región del visible realizadas desde telescopios terrestres nos permiten ver los cientos de miles de millones de estrellas que forman la galaxia. Las observaciones en el infrarrojo lejano realizadas por el Observatorio Espacial Herschel muestran la mezla de (sobre todo)gas y polvo a partir del que nacerán las nuevas estrellas. Las observaciones en rayos X realizadas por el XMM-Observatorio Espacial Newton muestran el brillo emitido por las estrellas ya muertas
Imágenes cortesía de Robert Gendler (visible); ESA / Herschel / PACS / SPIRE / J Fritz, U Gent (infrarrojo); ESA / XMM-Newton / EPIC / W Pietsch, MPE (rayos X)

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.

Figura 4: La nebulosa de Orión, la ‘guardería’ cósmica, todo un icono espacial visto en diferentes longitudes de onda. La zona azul amplifica la parte de la constelación de Orión y la naranja es una ampliación mayor que nos ofrece la nebulosa de Orión con mayor detalle. Esta región donde se están formando miles de estrellas se ve muy distinta a diferentes longitudes de onda del espectro. Las observaciones en el rango visible desde observatorios situados en la Tierra muestran sobre todo las estrellas, mientras que a mayores longitudes de onda (en el infrarrojo cercano y medio, ondas submilimétricas y las microondas) revelan una intrincada mezcla de gas frío y polvo estelar a partir del que se forman las estrellas. Por el contrario, las imágenes en rayos X muestran el gas a elevadas temperaturas expulsado por masivas estrellas jóvenes
Imágenes cortesía de ESA /AOES Medialab (esquema global); Kosmas Gazeas (luz visible, imagen grande); STScI-DSS (luz visible, imagen pequeña); ESA, LFI & HFI Consortia (microondas y submilimétrica); AAAS / Science, ESA XMM-Newton and NASA Spitzer data (infrarrojo medio y rayos X); NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute / ESA) and the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team (visible e infrarrojo cercan)

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 EIROforumw5, 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.

Figura 5: La flota de misiones actuales y futuras de la ESA analizan el universo en todo el espectro electromagnético. De izquierda a derecha: ondas de radio, microondas, radiación sub-milimétrica, infrarroja, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imagen cortesía de ESA

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.

References

Web References

Resources

  • Los vodcast (videos) de Science@ESA exploran nuestro universo mediante los ojos de la flota de misiones científicas de la ESA. El episodio 1, (‘The full spectrum’) analiza por qué necesitamos enviar telescopios al espacio y qué nos pueden decir sobre el Universo. Ver: http://sci.esa.int/vodcast
  • Para saber más sobre la atmósfera terrestre y el papel –y la disminución- del ozono, ver:
  • Para ver cómo Alessio Bernadelli , profesor de física, despertó el interés de sus estudiantes sobre el espectro electromagnético consiguiendo que realizaran una producción audiovisual sobre el tema, ver el blog de Alessio (http://alessiobernardelli.wordpress.com) o este enlace directo: http://tinyurl.com/42ow4a9
  • Para saber cómo está relacionada longitud de onda del máximo de emisión de un objeto estelar y su temperatura, ver: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=48986
  • La ESA ha producido una gran variedad de materiales educativos de acceso libre para apoyar la labor del profesor en el aula. Incluye materiales impresos, DVD y videos on-line, kits educativos y páginas web. Puedes consultar la lista completa en: www.esa.int/educationmaterials
  • Para saber más sobre las actividades educativas de la ESA, ver: www.esa.int/education

Institutions

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgium for ESA – European Space Agency, es escritora científica para la ESA. Es licenciada en Astronomía por la Universidad de Bolonia, Italia, y doctora en cosmología por la Universidad de Heidelberg, Alemania. Antes de unirse a la ESA trabajó en la oficina de relaciones exteriores del ESO, European Southern Observatory.

Rebecca Barnes, HE Space Operations de la ESA – European Space Agency, técnico en educación de la división de Ciencia y exploración robótica. Licenciada en astrofísica por la Universidad de Leicester, Reino Unido, anteriormente trabajó en los departamentos de educación y comunicación del National Space Centre del Reino Unido. Para saber más sobre las actividades de la división de Ciencia y Exploración Robótica de la ESA, contactar con Rebecca, SciEdu@esa.int

Review

Este artículo muestra al lector aplicaciones del espectro electromagnético que no suelen considerarse al tratar este tema. Más aún, proporciona oportunidades para atraer a los alumnos y motivarles para posteriores investigaciones sobre este tema.

Los vodcasts de la ESA citados en la sección de recursos constituyen un excelente material para atraer a los estudiantes al tema de la radiación electromagnética. Los profesores pueden suscribirse para recibir los últimos vodcasts.

Possible comprehension and extension questions include:

  1. La radiación electromagnética, ¿es una onda longitudinal o transversal?
  2. Da algunos ejemplos de ondas electromagnéticas de mayor y menor frecuencia que la luz visible.
  3. Describe algunas aplicaciones tecnológicas de la luz y de las ondas de radio.
  4. ¿Crees que la contaminación afecta a la cantidad de radiación que se detecta? Razona tu respuesta.
  5. Señala algunos de los efectos perjudiciales que causaría la luz ultravioleta si no fuera filtrada por el ozono en las capas superiores de la atmósfera.
  6. ¿Cuál es el mayor inconveniente del uso de telescopios terrestres?

Generalmente asociamos el lanzamiento de telescopios astronómicos con la NASA. Sin embargo este artículo deja claro que Europa también tiene un papel activo el estudio del cielo –y esto debería hacer la ciencia más importante para los estudiantes y y llevarles a pensar en lugares próximos cuando oyen hablar de investigación espacial.

Angela Charles, Malta

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