Por qué sabemos de qué están compuestas las estrellas, galaxias y nebulosas?

Cuando leemos un artículo de ciencia en una revista o nos dicen que el sol se compone de hidrógeno, helio, etc, o nos dicen que las nebulosas contienen ciertos elementos químicos, como es posible que los científicos puedan llegar a esas conclusiones si no tenemos manera de llegar a las estrellas o galaxias y estas están demasiado lejos para estudiarlas en detalle?

Pues bien, todo esto podemos conocerlo gracias a los grandes científicos del pasado que empezaron a estudiar la “luz”.

Concretamente al primero que se lo debemos es a Isaac Newton allá por 1666 el cual estudiando la luz hizo uno de los grandes descubrimientos de la humanidad, el ESPECTRO.

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En una habitación oscura hizo pasar la luz por un prisma y observó detrás de él que esta se descomponía en diferentes colores. El prisma había dividido la luz en los colores del arco iris. LLamó a esto “espectrum” (en latín).

Llegó a la conclusión de que la luz estaba compuesta por pequeñas partículas o corpúsculos coloreados. La Luz del sol era un conjunto de todos los colores. Su espectro continuo era la suma de todos ellos:

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Su descubrimiento pasó inadvertido durante los siguientes 100 años. Pero fue entonces cuando un científico alemán, Joseph Von Fraunhofer, que empezó a trabajar como cristalero, haciendo una serie de experimentos y estudiando la luz difractada por un prisma como estudió Newton, descubrió algo importantísimo y que nos ayudaría a entender y analizar la luz, los elementos químicos, etc…

Fraunhofer, estudiando la luz proveniente del sol, su espectro, descubrió una serie de lineas negras entre los colores.

Tras numerosos estudios y experimentos realizados por él y mas tarde por Kirchhoff y Bunsen, se demostró que cada elemento químico estudiado de esta manera, por ejemplo al observar la luz tras un prisma, proveniente de una fuente de emisión como una lámpara de sodio, o bien enviando luz a través de un tubo de emisión relleno de un gas en concreto, posee un espectro de emisión CARACTERÍSTICO.

Cada elemento químico emite luz de una forma concreta y deja su huella particular o DNI característico. Esas líneas negras, sus características, número, etc, caracterizan al átomo que las emite.

espectro del hierro

Es realmente cuando dos de las ciencias mas apasionantes que existen, la astronomía y la física, se unen para dar lugar a la ASTROFÍSICA.

Estudiando con telescopios, radiotelescopios y espectrógrafos la luz que nos llega de las galaxias, podemos descomponerla en sus diferentes longitudes de onda y estudiar sus espectros. Descubriremos así (entre otras cosas, velocidad, alejamiento o acercamiento…) los espectros emitidos por los átomos que allí se encuentran, pudiendo determinar la composición de galaxias, estrellas y nebulosas.

Intentemos explicar de la forma mas sencilla posible por qué cada átomo emite un espectro diferente:

Los átomos se componen de un núcleo formado por protones y neutrones y unas capas exteriores en las que se encuentran los electrones.

Los electrones como hemos dicho se sitúan en las capas externas del átomo en lo que denominamos niveles de energía o niveles cuánticos. En realidad ese nivel de energía es como una nube en la que se mueve libremente el electrón y lo podemos encontrar en cualquier punto de esa nube.

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En un momento dado, por cualquier motivo (que ya estudiaremos), ese electrón “desaparece” por un momento ínfimo y vuelve a aparecer pero en otro nivel de energía diferente. Es ese momento ínfimo el que causa esa línea negra.

En el caso del hidrógeno, solo hay un electrón, pero a medida que vamos subiendo en la tabla periódica, los elementos tienen mas electrones, con lo cual se producirán mas líneas negras características.

Insisto: Es una explicación muy sencilla de algo muy complejo pero muy interesante y definitivo para poder comprender la composición de parte del universo.

 

 

 

 

La Materia Oscura

Alguna vez hemos oido hablar de la materia oscura en el universo. Este término nos crea expectación, curiosidad, ciencia ficción, etc.. Que será?

Lo primero que debemos explicar para entender qué es la materia oscura es lo siguiente: La materia normal que todos conocemos, interacciona con la luz, es decir, absorbe, emite o refleja la luz. Mientras que la denominada materia oscura no interacciona con la luz, ni absorbe, ni emite ni refleja luz. De ahí que NO la veamos y la llamemos así.

Es algún tipo de materia desconocida. No sabemos de que se compone ni que es realmente.

Todo lo que compone el universo podemos clasificarlo a grandes rasgos  en materia ordinaria, materia oscura y energía oscura (ya explicaremos en otra entrada lo que es), en la siguiente proporción aproximada:

mat oscura

Vemos que lo que predomina en el universo es la energía oscura (explicaremos en otra entrada del blog), seguida de la materia oscura y en una proporción mucho mas pequeña, la materia ordinaria (materia bariónica) de la que estamos hechos nosotros y todo aquello que conocemos.

Ahora bien, si no podemos verla ni detectarla, por qué sabemos que está ahí y por qué es tan importante?

Pues realmente sabemos que existe y hemos podido calcular su proporción en el universo debido a que la materia oscura juzga un papel fundamental en la evolución de las galaxias, en las velocidades de estas en los cúmulos de galaxias, en la velocidad de rotación de las galaxias, en la formación de estructuras en el universo.

Los científicos pueden calcular la masa de una galaxia en base a diferentes técnicas y parámetros. Ahora bien, cuando observan la velocidad de rotación de la galaxia o la velocidad de la galaxia dentro de un cúmulo de galaxias, observan que esta debería ser mucho menor debido a la materia que han calculado para la misma.

Que ocurre entonces? Que hay mas materia que no vemos, la Materia Oscura. Todas las evidencias científicas concluyen que en el universo debe haber mucha mas materia que solo la que reacciona con la radiación electromagnética o materia ordinaria. Y estos cálculos han supuesto que esa Materia oscura comprende aprox. un 24% de nuestro universo.

De que se compone? No lo sabemos por que no podemos verla ni estudiarla, pero hay teorías  que dicen que la materia oscura puede estar formada por neutrinos ordinarios y pesados, partículas elementales recientemente postuladas como los WIMPS  y los axiones(*), cuerpos astronómicos como las estrellas enanas, los planetas (colectivamente llamados MACHO) y las nubes de gases no luminosos. Las pruebas actuales favorecen los modelos en que el componente primario de la materia oscura son las nuevas partículas elementales llamadas colectivamente materia oscura no bariónica.

(*)WIMPS: Miasma (aún no identificado) de partículas fundamentales como los quarks y los gluones que conforman los átomos. Siglas en inglés de Weakly Interacting Massive Particles, que en español podría traducirse como Partículas Masivas que Interactúan Débilmente. No emiten radiación electromagnética. Interactúan debido a la interacción nuclear débil y a la gravedad y posiblemente a otras interacciones mucho mas débiles. Pero no interactúan con el átomo ni con la interacción nuclear fuerte.

(*)Axiones: Son unas partículas sub atómica peculiar cuya existencia aún no ha sido demostrada. Es una teoría y un término muy compleja que se utilizó para otra teoría pero que encajaría bien con la materia oscura.

De donde proviene cada elemento químico?

Todo lo que conocemos se compone de elementos químicos como el hidrógeno, carbono, oxígeno, etc….

Pero, de donde provienen estos elementos, como y donde se han formado?

En una entrada anterior del blog dijimos que los elementos químicos de los que estábamos compuestos, los átomos que los forma, provenían de las estrellas.

Fundamentalmente es así, pero no es del todo exacto, pues los elementos se han formado en diferentes etapas de nuestro universo y en diferentes etapas de la vida de una estrella.

Vamos a verlo con la tabla periódica de los elementos:

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En ella podemos ver los diferentes elementos diferenciados por colores.

Azul: El hidrógeno fue el primer elemento en formarse por la combinación de los quarks que lo componen. Se formó tras el big bang, cuando la energía decreció lo suficiente para que esos quarks pudieran recombinarse.

Una parte del Helio, también se formó así, aunque también se forma Helio en estrellas moribundas de baja masa y en explosiones de estrellas masivas.

Rosa: Berilio, Boro y una pequeña parte de Litio. Se forman a partir de la fisión nuclear por rayos cósmicos. El proceso también se llama espalación de rayos cósmicos.

El proceso se refiere a la formación de elementos químicos a partir del impacto de rayos cósmicos en un objeto. Los rayos cósmicos son partículas altamente cargadas de energía de fuera de la Tierra, desde electrones desviados a partículas alfa. Estas causan la espalaciónc uando un rayo cósmico (p.ej. un protón) impacta con materia, incluyendo otros rayos cósmicos. El resultado de la colisión es la expulsión de grandes miembros de nucleones (protones y neutrones) desde el objeto impactado.

Verde: Estos elementos se producen por fusión nuclear de otros elementos en las estrellas moribundas. Como ya vimos en el artículo de formación de estrellas, que son y como evolucionan, en el interior de una estrella se producen reacciones altamente energéticas de fusión, en las cuales el hidrógeno se combina para formar un elemento mas pesado, el Helio. Este se combina a su vez para formar otro elemento mas pesado, etc….Así se forman el Cabono y el Nitrógeno fundamentalmente.

Amarillo: Para que se formen estos elementos, la energía necesaria es mucho mayor. Se forman entonces en la muerte de estrellas masivas, en la explosión de estas estrellas. En Novas y super novas. El elemento mas característico que se forma así es el oxígeno.

Morado: Elementos que se forman en la fusión de estrellas de neutrones. La energía necesaria para que se formen es mucho mayor que los anteriores y en estos procesos se produce. El Oro es uno de los elementos que así se producen.

Hace poco hemos observado como dos de estas estrellas se fusionaban dando lugar  a ondas gravitacionales (que ya explicaremos).

Gris: Se necesita para su formación mas energía, que se obtiene en la explosión de enanas blancas (estrellas muy densas).