“La luz (del latín lux, lucis) es la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano”, según Wikipedia. Desde el punto de vista físico, tal y como dijimos en el último artículo, efectivamente la luz que ve nuestro ojo es un campo electromagnético que varía entre 400 a 750 billones de veces por segundo, decimos que es una onda con frecuencias de entre 400 y 750 terahercios. Pero hay ondas electromagnéticas que varían mucho más rápido o mucho más lento que esos límites y físicamente podrían ser llamadas también luz, aunque escapan de la percepción del ojo humano.
No vemos todo lo que existe, una parte de nuestro entorno y del universo se nos ha escapado durante milenios por nuestras limitaciones en la percepción, conocimiento y concepción de la luz. Pero es que lo que no vemos es mucho, no sabríamos de la mayor parte de todo lo que existe si nos restringiéramos a los fotones ópticos, habría un montón de cosas que serían “materia oscura”, en el sentido de invisibles para nuestro ojo.
Ponemos en este artículo un primer ejemplo del universo que escapa a nuestra visión, pero que hoy sí detectamos con algún tipo de radiación electromagnética. Todo lo que llevamos al aeropuerto en una maleta (¡ay, esos aeropuertos y aviones, qué nostalgia!) es “materia oscura” para los agentes de seguridad, no lo ven hasta que lo pasan por un aparato de rayos-X. Aunque el ojo humano no puede detectar rayos-X, hoy tenemos aparatos capaces de crearlos y también de detectarlos. La señal medida por los detectores de rayos-X se analiza y se usa para reconstruir imágenes en una pantalla de ordenador que sí podemos ver. Igual hacemos con telescopios como XMM-Newton o Chandra, dos telescopios de rayos-X bautizados en honor de los astrofísicos Isaac Newton y Subrahmanyan Chandrasekhar.
Los rayos-X son en realidad fotones de una frecuencia mucho más alta que la de los ópticos
Los rayos-X son en realidad fotones de una frecuencia mucho más alta que la de los ópticos. En vez de oscilar cientos de billones de veces por segundo, los fotones rayos-X equivalen a un campo que oscila entre 30.000 billones y 30 trillones de veces por segundo, lo que significa que tienen hasta casi un millón de veces más energía que un fotón óptico.
¿Cómo descubrimos los rayos-X? A finales del siglo XVIII se empezaron a hacer experimentos eléctricos, perfeccionados durante todo el siglo XIX, en los que en un tubo lleno de gas primero, hecho un vacío parcial después, se creaba un campo eléctrico muy intenso que aceleraba electrones a grandes velocidad, típicamente hasta un 20% de la velocidad de la luz. Aunque el efecto debió estar presente en muchos experimentos de este tipo anteriores, no fue hasta 1895 cuando el alemán Wilhelm Röntgen se dio cuenta de que cuando aceleraba electrones, una pantalla a unos 3 metros del experimento emitía luz verde, incluso si tapaba el tubo con distintos materiales. Röntgen empezó a hablar de unos rayos de origen desconocido, todavía hoy diríamos “llámales X”, y efectivamente los denominó rayos-X. Su trabajo le valió en 1901 el primer premio Nobel de Física de la historia y que en algunos países a la radiación X se le llame Röntgen. Hoy sabemos que cuando los electrones acelerados en el tubo se frenaban perdían energía en forma de radiación electromagnética muy energética, y además conocemos que los rayos-X (dependiendo de su energía) atraviesan fácilmente muchos materiales, como las maletas en el aeropuerto o nuestra piel, pero no otros, como nuestros huesos o algunas partes de un portátil.
El gas coronal del Sol ocupa un volumen muy grande, pero con esa densidad tan baja constituye una fracción minúscula de la masa total de nuestra estrella
La astronomía de rayos-X no se desarrolló hasta la segunda mitad del siglo XX, cuando se empezaron a construir cohetes que podían volar a grandes alturas. Esto es debido a que, por fortuna, nuestra atmósfera bloquea la radiación X proveniente del espacio, más energética que los rayos ultravioleta y más dañina para nuestras células. En 1948, investigadores estadounidenses detectaron por primera vez a través de observaciones rayos-X, realizadas con detector a bordo de un cohete alemán V-2 lanzado a unos 170 km de altura, el material que rodea el Sol en una capa de la estructura de nuestra estrella que se llama corona. Esta se extiende muchísimo más allá del disco visible que vemos en el cielo, llega incluso hasta la Tierra. En esta capa existen partículas que se mueven a grandes velocidades, entre ellas electrones como los acelerados en los experimentos de Röntgen. Este conjunto de partículas cargadas constituye lo que se conoce como un plasma, un cuarto estado de la materia más allá del líquido, sólido y gaseoso que nos enseñan en el colegio. Es un plasma con una temperatura muy alta, millones de grados, pero muy enrarecido, es decir, con una densidad muy baja, de un millón de partículas por cada milímetro cúbico, un billón de veces menos denso que nuestra atmósfera a nivel del mar. El gas coronal del Sol ocupa un volumen muy grande, pero con esa densidad tan baja constituye una fracción minúscula de la masa total de nuestra estrella.
Veinte años después del descubrimiento del gas coronal del Sol también se detectó emisión rayos-X en los llamados cúmulos de galaxias, aglomeraciones que en un volumen poco mayor al que engloba a nuestra Galaxia y la de Andrómeda pueden juntar a decenas si no cientos de galaxias. En esos cúmulos hay también, en el espacio entre las galaxias, gas muy caliente, el llamado gas coronal cumular. Su densidad media es bajísima, si nos enviaran un tetrabrik de los típicos de leche lleno de gas coronal cumular habría dentro una partícula como mucho. El plasma está muy caliente, entre 10 y 100 millones de grados centígrados, lo que significa que las partículas que lo componen se mueven muy rápido. Como hacían los electrones del experimento de Röntgen, esas partículas emiten rayos-X cuando se frenan, pero no emiten casi ningún fotón óptico. Lo más relevante de ese gas coronal cumular es que su masa total es típicamente diez veces mayor que la masa sumada de todas las estrellas de las galaxias del cúmulo.
Con telescopios de rayos-X hemos descubierto que el universo está más lleno de materia que lo que veíamos con telescopios clásicos de los que son sensibles a fotones visibles por nuestro ojo. Gran parte del Universo visto con “ojos de rayos-X” es raro y hostil, con temperaturas altísimas y densidades muy bajas. ¿Hay más cosas que no vemos y que escapan a esos dos tipos de telescopios? ¿Hay más “materia oscura”? Bueno, el siguiente paso será decir que hay “materia oscurecida”, pero esa es otra historia.
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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