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:

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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).

 

Por qué no nos hundimos en la tierra y no flotamos sin mas por el universo?

Voy a intentar explicaros esto (que es bastante complejo) desde un punto de vista lo mas sencillo posible.

Por qué no nos hundimos en la tierra, por qué los sólidos no se mezclan entre si, por qué si que nos hundimos en el agua, por que no atravesamos nuestros cuerpos unos a otros?

Pues bien, esto se debe gracias a un efecto de las partículas que componen nuestra materia, concretamente de los electrones, que descubrió un físico Austriaco, Wolfang Ernst Pauli.

Empezamos:

La materia como la conocemos comúnmente, está formada por átomos, los cuales se componen de protones, neutrones y electrones. (Quedémonos ahí, no entraremos ahora en explicar el resto de partículas que existen).

Para explicar esto, las partículas que nos interesan y las responsables de esto que intentamos explicar, son los ELECTRONES.

Nosotros nos imaginamos un electrón como una bolita pequeña que gira en órbitas en torno a un átomo, pero en realidad no es así. Es como una nube alrededor del átomo en la cual el electrón puede estar en cualquier punto.

Estas partículas sub atómicas tienen unas propiedades o características (magnitudes físicas) , llamados números cuánticos.

Pues bien, el principio de exclusión de Pauli dice que no puede haber dos partículas como los electrones (fermiones) en un mismo sistema cuántico, con los mismos números cuánticos (son 4).

Como explicamos esto? Imaginad un átomo y su nube alrededor del núcleo en la que se encuentra en cualquier lugar el electrón. Imaginad ahora otro átomo que se aproxima con su nube también en la que se encuentra el electrón alrededor del núcleo. Estos dos electrones se encuentran en el nivel de energía mas alejado del núcleo, son electrones con los mismos números cuánticos. Lo que pasará entonces es que debido al principio de exclusión de Pauli, esos dos electrones no podrán ocupar un mismo lugar e impedirán mutuamente que se acerquen o mezclen esos átomos.

Pues bien, esto pasa con la materia tal y como la conocemos. No podemos atravesar una pared ni nos hundimos en la tierra por este efecto. Realmente cuando nos acercamos a una pared o a otra persona, NO NOS TOCAMOS. A nivel sub atómico estos electrones de las capas mas externas de los átomos que componen nuestro cuerpo lo impiden. Se repelen para no dejar a otros electrones ocupar su espacio. Lo que notamos al tocar la pared o a otras personas son otro tipo de efectos producidos por la materia.

La materia sólida tiene un alto nivel de agregación. Sus átomos están muy fuertemente unidos y para atravesarlos (separarlos o desplazarlos) habría que ejerce mucha fuerza.

Es por eso por lo que no podemos flotar por el suelo o las paredes y por eso mismo podemos sentir el abrazo que nos damos unos a otros.

Pero…. y por qué si que nos hundimos en el agua o por qué podemos volar en avión si el agua y el aire también se componen de materia (átomos)?. Sencillo:

La materia sólida (pared, suelo, roca….) tiene un estado muy alto de agregación. Sus átomos están fuertemente unidos. Mientras que los átomos de la materia líquida o gaseosa (agua, aire…) tienen un estado menor de agregación. Los átomos no están tan fuertemente unidos.

Como ejemplo yo mismo tirándome a una piscina. Al entrar en contacto con el agua, lo que hacen mis átomos (con sus nubes de electrones) es ejercer una fuerza sobre los átomos de agua de manera que los desplazan y así penetro en ella. Me doy un chapuzón, a no se que me tire desde mucha altura y caiga ejerciendo mucha resistencia al agua (planchazo) en cuyo caso, esa fuerza que ejerzo se reparte por todo mi cuerpo y es menor en cada punto, NO basta entonces para desplazar los átomos de agua y el resultado es…desastroso.

Y en el caso la materia gaseosa (aire…), los aviones y cualquier aeronave o los pájaros, surcan ese aire debido a que el estado de agregación de la materia gaseosa es muuuucho menor y prácticamente no hay que ejercer fuerza para desplazar a los átomos de esa materia gaseosa.

Y por que si que puedo clavarme accidentalmente un cuchillo? Por que ese cuchillo si que ejerce una gran fuerza puntual en un sitio preciso, capaz de desplazar a los átomo que allí se encuentran y dar paso a los de cuchillo.

Todo esto es bastante complejo, pero quedaros con la idea de que todo esto de lo que hemos hablado tiene una explicación, y esta la encontramos en el mundo cuántico de las partículas, como todas las leyes físicas que rigen nuestro universo, y que intentaremos explicarlas de una forma sencilla.

Como he dicho, esta es una explicación muyyyyy sencilla y divulgativa, siguiendo con el propósito de este blog.

Fotografía Circumpolar

Una fotografía circumpolar es una serie de fotografías de larga exposición apiladas para que obtengamos el resultado deseado de ver como las estrellas recorren el firmamento en círculos concéntricos a la estrella polar.

Para ello necesitaremos un buen trípode, un intervalómetro y un objetivo gran angular. Con eso es suficiente para hacer una circumpolar aceptable. De ahí, podemos complicarlo tanto como deseemos.

El movimiento aparente circumpolar de las estrellas es debido al movimiento de rotación de la tierra. Las estrellas mas cercanas a nuestro norte describen círculos en torno a él (estrella polar) mientras que las mas alejadas o las que están cerca del ecuador describen líneas rectas de oeste a oeste. Se mueve la tierra en su movimiento de rotación.

En el video podéis ver la superposición de las fotografías y como es el movimiento aparente de las estrellas.

Esta fotografía en concreto consta de 230 fotos de 25 segundos cada una con una distancia focal de 11mm, una f de 7 y una ISO de 400.

Era invierno y para ello tuve que utilizar unas cintas calentadoras acopladas al objetivo para que no se llenase de vaho.

No dejéis de preguntar si queréis saber como hacer una buena circumpolar.

Circumpolar Castillo Arenas
Circumpolar en Arenas de San Pedro

La Estrella Polar

Lo primero que vamos a hacer es explicar como encontrarla en el cielo para aquellos de vosotros que aún no sepáis situarla.

En este gráfico podemos verlo fácilmente:

Polar

Tenemos cuatro métodos:

1.- Con una brújula (os lo desaconsejo)

2.- La estrella final del mango de la sartén de la Osa Menor

3.- La estrella que hay justo en medio entre Casiopea y la Osa Mayor

4.- El método mas fiable. Si prolongamos 5 veces la distancia que hay entre las dos estrellas del final del carro de la Osa Mayor (Merak y Dubhe), llegaremos a la estrella Polar

 

La estrella polar o Polaris es la mas cercana al polo norte celeste, del que dista menos de un grado.

Debido a la precesión de los equinocios (movimiento de nutación de la tierra), la estrella mas cercana al polo norte nunca es la misma, pues el eje de los polos se desplaza entorno al plano de la eclíptica. En consecuencia, la estrella mas cercana al polo norte celeste al cabo de los años no es la misma. Varía.

En el año 2100 será cuando mas cerca esté del polo norte celeste, distando menos de 28′. A partir de entonces se alejará por la precesión de los equinocios, no volviendo a estar en ese punto hasta dentro de 28.000 años.

 

Hace 4800 años, en el polo norte celeste se encontraba Thuban, de la constelación del Dragón.

La estrella polar se encuentra a 431 años luz de nosotros, en la constelación de la osa menor.

Es una estrella de magnitud (aparente) 2, muy brillante. Lo cual nos permite localizarla a simple vista.

Es una super gigante amarilla, con una luminosidad 2440 veces mayor que la del sol y su masa es del orden de 6 veces la masa de nuestro sol. Su radio 45 veces mayor que el del sol.

Realmente la estrella polar forma un sistema estelar con 2 estrellas acompañantes no visibles a simple vista, Polaris B y Polaris C.

 

El centro galáctico desde Arenas de San Pedro

Vía Láctea julio 2017

En las noches claras a partir de junio y hasta septiembre-octubre podemos observar la Vía Láctea o el camino de Santiago que algunos llaman.

Ciertamente no estamos viendo la vía láctea, nuestra galaxia, sino el CENTRO de nuestra galaxia, el centro galáctico. Sería imposible ver la galaxia si estamos dentro de ella, no?.

El centro de la galaxia lo compone un agujero negro super masivo, sobre el cual giran todas las estrellas y estructuras de la galaxia.

En el centro ademas del agujero negro hay cientos de miles de estrellas y el brillo sería tremendo si no es por las nubes de gas y polvo que nos impiden verlo. Por eso podemos observar el centro galáctico como en esta foto y no un tremendo brillo.

 

La foto está tomada desde Arenas de San Pedro, en el paraje denominado la Dehesa.

Montura: Star Adventurer

Cámara: Canon 6D

Objetivo: 24-70L f2.8

Características de la foto: 100 segundos de exposición, f2.8, ISO 1600

Por qué el cielo tiene estos colores?

El cielo diurno es azul por excelencia, pero a veces lo vemos anaranjado, rojizo, etc.. A que se debe todo esto?.

La luz es BLANCA, está compuesta por todos los colores visibles de diferentes longitudes de onda cada uno que al sumarse, dan la luz blanca.

La luz del sol al llegar a la tierra, choca con las partículas que hay dispersas en la atmósfera y estas dispersan las ondas de este espectro visible. LAs primeras en dispersarse son las que tienen una longitud de onda mas corta, como el azul. Por eso vemos el cielo azul.

El atardecer el sol “mas se acerca” al horizonte, hay mas atmósfera entre el observador y el sol, con lo cual la luz choca con mas y mas partículas de esta. Las longitudes de onda mas cortas se dispersan mas y mas y dejamos de verlas y las longitudes de onda mas largas se empiezan a ver y comenzamos a ver el color. Empezamos a ver el atardecer naranja.

Si no hubiera atmósfera, la luz NO se dispersaría y por lo tanto veríamos el cielo tal cual (aunque deslumbrados por el sol). Esta es la razón de por qué en la luna se ve siempre el espacio.

Los amigos de pictoline nos han dejado un gráfico excelente donde se explica esto:

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Observación y charla astronómica divulgativa

El próximo viernes 24 de marzo voy a realizar una sesión de observación y charla astronómica divulgativa en Arenas de San Pedro.

La sesión de observación (sin telescopio) tratará de explicar el cielo nocturno de esta época del año. Que constelaciones y sus estrellas principales se ven, planetas, eclíptica, etc…. Seguido de la charla de divulgación astronómica en la que trataremos de explicar de una forma sencilla aspectos astronómicos interesantes como formación de estrellas, Big Bang, agujeros negros, etc…y todas aquellas preguntas que queráis hacer.

Esta sesión va dirigida a todo el mundo que le guste la astronomía, si bien fundamentalmente se dirige a principiantes. Trataré de explicarlo todo de una manera muy sencilla y práctica, sin entrar en detalles astro físicos complejos.

Mi idea es que alguien que no haya estudiado nunca física, entienda como es un agujero negro o que es el Bosón de Higgs, por ejemplo.

La hora de quedada será a las 21:30 del viernes 24 en el puente del pantano de Arenas,  si bien tenéis que confirmar vuestra asistencia en astrogredos@gmail.com o los que me conozcáis me enviáis un mail o wasap.

Todo ello, por su puesto, si no hay nubes. Si las hubiera aplazaríamos hasta otra fecha.

Si os apetece y queréis saber un poco mas del precioso cielo nocturno que tenemos en Gredos, os espero.

No olvidéis confirmar vuestra asistencia.