Estrellas: El conocimiento de la Luz I

Si alguien se para a pensarlo, es un poco raro que sepamos cosas como la distancia a la que está una estrella, la masa que tiene, su tamaño o si es joven o vieja, de qué está hecha, de dónde viene y hacia dónde va… ¿Cómo podemos medir y conocer todas esas cosas? Después de todo no podemos tocarlas de modo alguno, ni mandar una sonda a mirarlas de cerca o a hacer experimentos. Por no poder, no podemos ni ver el desarrollo de su vida porque es demasiado lento, tanto que ni en toda la historia humana podríamos haber visto una pequeñísima parte de la vida de cualquier estrella. Sólo son puntitos brillantes que están MUY lejos: lo único que tenemos para entenderlo todo es su luz.

Lo que deseo conseguir con esta serie de post no es dar una lección de astrofísica en profundidad, si no que cualquiera, sepa física y matemáticas o no, pueda entender cómo funcionan algunas cosas allí arriba.

El espectro visible:

Empecemos por el principio. Lo que comúnmente llamamos luz es una onda electromagnética y aunque tal vez, esto sea algo difícil de imaginar, como cualquier onda tiene una “longitud de onda”, es decir, la distancia que mide un ciclo completo de la onda, de forma que a partir de ahí, vuelve a repetirse lo mismo una y otra vez:

La letra griega lamda es el símbolo usado en física para la "Longitud de Onda". Como puede verse es la distancia entre un máximo y otro, o entre un mínimo y otro. Fuente: Wikipedia

Lógicamente la longitud de onda se mide en distancia.

Cada longitud de onda corresponde a lo que nosotros identificamos como un color. Ahora bien, nosotros no somos capaces de ver la luz de cualquier longitud de onda, nuestros ojos están limitados a ver desde 380 a los casi 780 nanometros ( 1 nanometro es una milésima de millonesima de metro). A esta franja se la llama “espectro visible”:

Como veis, desde el violeta (380 nm) hasta el rojo (a 780 nm) se cubren todos los colores que podemos ver. Fuente: Servisystem Audio

Si a esta franja la llamamos espectro visible, cualquiera podría percatarse de que existe la insinuación de que hay un espectro no visible, algo así como “luz invisible”. Esto es cierto, pero hablaré de ello en un próximo artículo.

Luz blanca:
Salvo en casos muy particulares (un láser por ejemplo), raramente encontramos que la luz esté compuesta por una única longitud de onda. Así lo que nos llega del sol es una mezcla de todas esas longitudes de onda, que llamamos “luz blanca”, debido a que está compuesta por todos los colores. Así cuando esta luz blanca incide sobre un objeto, una parte se “absorbe” y otra se refleja, pero al perder parte de sus longitudes de onda (por ser absorbidas), el color con el que sale reflejada ya no es “blanco”, sino que tendrá un color. Este es el color que nosotros vemos. En este sentido un objeto blanco lo refleja más o menos todo, y un objeto negro no refleja casi nada.

Bueno, sí, esto es muy bonito. pero seguro que queréis una prueba. Y todos tenéis una: el arco iris.

En el arco iris, cuando la luz blanca del sol atraviesa las gotitas de agua sufre un efecto llamado dispersión y la luz se separa en sus diferentes colores. Este efecto consiste en que el agua (y otros materiales) tienen distinto índice de refracción para cada color y por eso, aunque entran todos juntos, salen en diferentes direcciones. Podéis encontrar una explicación más detallada de la refracción en mi post Refracción de Ondas ¿y qué?.

¿Qué pinta tiene un espectro?

Hasta ahora sólo he dicho que la luz nos llega con sus colores mezclados y que pueden separarse. Lo que no he mencionado es que no nos llega la misma cantidad de luz de cada color. En realidad, de cada color nos llega una cantidad diferente. Por cierto, a “cantidad de luz” en física se le llama intensidad. Y sobre esto hablaré más detalladamente en otro artículo.

Entonces, si están mezclados y en diferentes cantidades… ¿que intensidad tiene cada color? Si nosotros cogemos la luz del Sol, separamos sus colores, y medimos la intensidad de cada color y lo hacemos con muchísimo detalle, tendremos algo así:

Cada línea va a continuación de la siguiente, pero por comodidad las han cortado y pegado después unos debajo de otros. Tenéis que pensar que lo que sale sería una única línea muuuy larga. Fuente: El tamiz

Vamos, un revoltijo enorme, donde unas partes son más brillantes y otras más oscuras, incluso alguna parte es negra. Por eso se suele representar así:

En las abscisas (eje horizontal) están las longitudes de onda, vamos los colores; mientras que las ordenadas (eje vertical) muestran la intensidad: Cuanto más alto más luz que nos llega de ese tipo.

Ahora sí se entiende de forma intuitiva. La cuestión ahora es ¿porqué tiene esa forma?

Eso, para el próximo artículo.

Esta serie de artículos está dedicada a mi amiga Luz, por haberme animado a que retomara el blog pese al parón.

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Cuando la luz se tuerce.

Cuando hablábamos de la refracción, hablamos de lo que ocurría cuando había una serie de capas sucesivas con índice de refracción creciente: la luz iba cambiando aún más su trayectoria con cada capa que atravesaba.

Pongamos ahora que tenemos muchísimas de estas capas y en cada una se da una desviación muy pequeña. No es difícil ver que de esa forma, tendríamos que la luz sigue una trayectoria prácticamente curva. De hecho sería una curva formada por muchísimas pequeñas rectas. Algo así:

grafdef

El fondo indica el valor del índice de refracción. Cuanto más blanco, menos índice de refracción (aquí suponemos innumerables capas, muy pequeñas). La curva roja es la trayectoria que sigue la onda en esta situación, mientras que la recta negra muestra la trayectoria rectilínea que seguiría si no hubiera variación del índice de refracción.

Ahora bien, esto puede parecer una idea bonita pero demasiado ideal: parece un poco difícil encontrar en la naturaleza esta circunstancia. Pero lo cierto es que es mucho más frecuente de lo que se pueda pensar a primera vista.

La cuestión ahora es ¿cómo podemos tener muchísimas capas muy pequeñas y que cada una introduce sólo una pequeñísima variación?

Vayamos por partes como dijo Jack el Destripador:

En  primer lugar hay que comentar que en un fluido (un gas o un líquido) concreto, la velocidad de una onda en él depende de la densidad, de forma que cuanto más denso sea ese fluido, menor velocidad tendrá la onda y por tanto, el índice de refracción será mayor. Pero la densidad de un fluido depende de su temperatura. A mayor temperatura menor densidad.

Ahora imaginad un depósito de agua. La parte de abajo del depósito se enfría con un refrigerador, mientras que la parte de arriba se calienta con un calefactor. La cuestión es que el agua de arriba estará caliente y se temperatura disminuirá progresivamente, hasta que al llegar a la parte de abajo estará fría. Esto, se puede resumir como “la temperatura varía a lo largo de la altura” y en física, a esto lo llamamos gradiente de temperatura.

Por tanto, entre los extremos del depósito, hay muchísimas capas, extremadamente finas, cada una de ellas a una temperatura, que es ligeramente diferente al resto de capas cercanas. Así estas capas van siendo cada vez más calientes cuanto más arriba estamos en el depósito. Lógicamente si la temperatura va cambiando con cada capa sucesiva, también lo hará la densidad. Y si la densidad va cambiando con cada capa, significa que la velocidad de la onda cambia y por tanto que lo hace el índice de refracción. ¡Acabamos de generar un medio con índice de refracción variable!

En el gráfico de antes teníamos que la parte de arriba tenía menor índice de refracción, que en este ejemplo sería debido a que está más caliente (más temperatura = menos índice de refracción).

Bien, ahora lo realmente interesante. Si la luz tuerce su trayectoria… veríamos cosas realmente extrañas, pues al mirar en una dirección veríamos cosas que realmente no están ahí, sino, en otro lugar…

(póngase música de suspense  en esta pausa melodramática xD)

espejismo-desierto1

espejismo-carretera

fata-morgana1

espejismo-barco

Efectivamente acabamos de explicar los espejismos.

En la primera y segunda imagen se trata de un espejismo que ocurre cuando el suelo está muy caliente. Esto provoca que el aire cerca suyo esté muy caliente y según ascendemos esté menos caliente. Como el aire caliente es menos denso, tiene menor índice de refracción (recordad que las ondas en medios de índice de refracción variable siempre se tuercen hacia donde tienen mayor índice de refracción, en este caso, arriba). Por tanto la luz va a curvarse hacia arriba, de la siguiente manera:

graf2d

Como veis en el gráfico, aparezco yo** mirando en una dirección indicada por al flecha marrón. Pero a mis ojos no llega luz de ese lugar, sino luz que sigue la trayectoria roja. De esta manera, cuando miro a la carretera que hay delante mio, no veo la carretera sino que veo… el cielo. Por eso me da la sensación de que hay agua sobre la carretera y que está reflejando el cielo. Esto es precisamente lo que ocurre en los desiertos: cuando su superficie está muy caliente y uno mira a lo lejos le parece ver que hay agua…

También muy interesante es el efecto de la tercera y cuarta imagen. Este efecto se llama Fata Morgana* y se trata de un espejismo pero a la inversa, debida a una inversión térmica. ¿Qué narices significa eso?. Una inversión térmica significa que la superficie está mucho más fría que el aire. Entonces el aire cerca de la superficie está más frío que el que hay por encima (justo a la inversa de lo habitual).  ¿Qué ocurre en este caso si miramos al horizonte? miremos el siguiente gráfico:

grafhordef

En este caso, yo voy montado en un barco y me da por mirar un poco por encima del horizonte. La línea negra marca la dirección en la que estoy mirando. La fina línea verde vertical marca la distancia máxima que puedo ver desde el barco: mi horizonte. No puedo ver el mar más allá del horizonte, debido a la curvatura de la tierra. Pero este aquí, que como hay una inversión térmica la luz que sale de un lugar un poco más allá del horizonte se tuerce hacia abajo, de forma que llega hasta mi. Sorpresa: al mirar por encima del horizonte feo una extraña zona, que no es más que el mar que hay más allá.

En el caso del barco con su propio reflejo encima es el mismo efecto: miras por encima del barco, y en vez de ver el cielo, ves luz que sale desde el barco hacia arriba pero luego se tuerce hacia abajo.

Hay un último caso del que no tengo fotografías. Es también una inversión térmica, que provoca que se vean… OVNIs. Imaginad que es de noche y estáis mirando hacia una zona con elevaciones. Al otro lado de la elevación, hay una carretera por la que viaja un coche con las luces encendidas. Como hay una inversión térmica la luz que sale de los faros del coche y va hacia arriba, se tuerce, por encima de las elevaciones. Y llega a nosotros que vemos una extraña luz en movimiento por encima de las colinas, a una velocidad que nos parece absurda o imposible, porque esa luz la situamos muchísimo más lejos de lo que en realidad está. Mirad el gráfico:

ovni

Aparezco yo de nuevo mirando hacia el cielo y muy sorprendido (la línea negra es la dirección en la que estoy mirando)… y veo una extraña luz. Que no es otra cosa que la luz proveniente del coche al otro lado de la colina.

Pero claro, sin haber leído este post y sin saber lo que hay al otro lado de la colina, es mucho más fácil decir que esa luz en el cielo es una nave extraterrestre o algo por el estilo.

*Fata Morgana: El término, significa en italiano, Hada Morgana. Se refiere, efectivamente a la Morgana de las leyendas artúricas, que tenía poderes sobre la ilusión (se hizo pasar por Ginebra para seducir a Arturo, si no recuerdo mal).

**Se sabe que ese monigote soy yo, por tres razones: Está como un fideo, tiene la cabeza hueca (literalmente) y porque va de negro xDD

Por cierto, querría pediros a todos que me dierais opinión sobre el artículo, pues no sé si lo he hecho demasiado técnico o si he sabido explicarme adecuadamente. Quiero mejorar post a post y para ello necesito vuestras impresiones.

Nota: Este es un post con fotos chulas y curiosas, pero como soy malo antes suelto la explicación. Esto tal vez puede parecer un poco contraproducente para atraer a lectores (lo lógico debería ser lo contrario), pero lo cierto es que me gusta plantearlo de estar manera ya que cualquiera que comience a leerlo pensará: “vaya retaila de cosas inútiles”, pero si tiene la paciencia de llegar hasta lo interesante, la sensación que quedará será: “aunque a primera vista parecía inútil al final resultó ser realmente interesante y con unas posibilidades que no me había planteado. Moraleja: Aunque parezca sólo una rareza científica sin ninguna utilidad ¡Dale una oportunidad!

Fuentes:

Polarimage.fi (una web realmente genial con fotos y vídeos de todo tipo de efectos ópticos, vale la pena echadle un vistazo) A esta web pertenecen las imágenes de Fata Morgana.