Líneas prohibidas

La mecánica cuántica permite ver muy lejos, hacer anatomía forense de cadáveres estelares y analizar cómo ha evolucionado la química del universo

Nébula Hourglass en una imagen tomada por una cámara del telescopio espacial Hubble.
Nébula Hourglass en una imagen tomada por una cámara del telescopio espacial Hubble.Raghvendra Sahai / John Trauger (JPL) / Equipo WFPC2 / NASA/ESA (Raghvendra Sahai and John Trauge)

Líneas prohibidas, podría ser un buen título para una novela negra. Un párrafo misterioso que provoca la muerte a quien lo lee. Una investigación con unos personajes desaliñados y quizás inteligentes, que intentan esclarecer estos extraños sucesos. Si ajustamos un poco la trama y aceptamos que los Sherlocks son astrónomos que además mueren de manera natural, tenemos nuestro relato de intriga tipo “El nombre de la rosa” en el descubrimiento hace casi 100 años del mecanismo que explica la emisión de luz de muchos objetos celestes. Un último detalle, los únicos cadáveres son de estrellas y las líneas prohibidas están escritas en el equivalente astrofísico de un libro: un espectro.

Corría el año 1868 cuando el astrónomo inglés Sir William Huggins le puso nombre a aquello que llevaba de cabeza a los astrónomos de la época: unas líneas de emisión verde brillante que se observaban cuando se descomponía en su espectro la luz proveniente de ciertas nebulosas. Como esas líneas de luz no se observaban en los espectros que se tomaban en los gases en los laboratorios aquí en la Tierra, el Sir inglés propuso que se trataba de un nuevo elemento químico. No se comió mucho la cabeza y lo llamó nebulium. Recordemos que la única forma de determinar la naturaleza de las sustancias responsables de la luz que vemos en el cielo, a falta de teoría, es comparar sus líneas con los espectros producidos en el laboratorio. No fue hasta 1927 que se descubrió por Ira S. Bowen que el nebulium no existe y que son simplemente elementos comunes como el oxígeno y el nitrógeno cargados eléctricamente, es decir ionizados, los responsables de que se produzca esta luz en determinados objetos astronómicos.

No fue hasta 1927 que se descubrió por Ira S. Bowen que el ‘nebulium’ no existe y que son simplemente elementos comunes como el oxígeno y el nitrógeno cargados eléctricamente, es decir ionizados, los responsables de que se produzca esta luz en determinados objetos astronómicos

Estas líneas, a pesar de que se observan en muchos objetos con fuentes de energía muy diferentes como supernovas, nebulosas planetarias, entornos de los agujeros negros en los núcleos activos de galaxias o auroras boreales, son líneas que llamamos prohibidas. El término es engañoso y sería mucho más acertado llamarlas “líneas de emisión muy poco probables en condiciones terrestres” (miremos a donde miremos siempre se nos escapa el antropocentrismo de un modo u otro), aunque también tenemos que reconocer que esta es una de las pocas veces que los astrónomos le han puesto a algo un nombre con gancho.

Lo fascinante es descender al mundo de lo diminuto, al mundo cuántico, para comprender cómo se produce esa luz tan útil para entender el cosmos y que nos permite medir, por ejemplo, cuánto oxígeno del mismo que respiramos tiene una galaxia que se encuentra a miles de millones de años luz de la Tierra. Ahora sabemos que para que se emita este tipo de luz necesitamos básicamente dos cosas: una fuente de luz con mucha energía y un gas con una densidad extremadamente baja. Supongamos que tenemos estos dos ingredientes, convirtámonos por un momento en algo mucho más pequeño que ant-man para ver qué está pasando a nivel de las partículas elementales.

Todos los átomos tienen un núcleo compacto con carga positiva donde están los protones y rodeando a esta pequeña estructura tendríamos a los electrones en sus nubes. Una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza, la fuerza electromagnética, mantiene a ambos unidos siempre y cuando no haya un fotón de luz por medio que pueda dar tanta energía a un electrón que literalmente lo arranque de su átomo. Ya sabemos entonces para qué necesitábamos la fuente de energía: para arrancar electrones del control de los protones. Este proceso llamado ionización se da en la atmósfera de la Tierra a gran escala en la ionosfera.

Los fotones se comportan como un ascensor, dan energía a los electrones y los suben a las plantas altas del edificio del átomo o los lanzan directamente fuera como en el ascensor de cristal de Willy Wonka

Imaginemos ahora que estos átomos ionizados son como rascacielos en su interior, con una serie de pisos donde viven el resto de los electrones. Pues bien, en contra de lo que dicta el sentido común, a esos electrones no les gusta tener vistas y vivir en las plantas altas, sino que prefieren estar cerca del núcleo, en el sótano. Los fotones se comportan como un ascensor, dan energía a los electrones y los suben a las plantas altas del edificio del átomo o los lanzan directamente fuera como en el ascensor de cristal de Willy Wonka. La mayor parte de estas torres son las del átomo más común que existe el hidrógeno y en ellas el único electrón que hay se sube en un fotón (lo absorbe) y se coloca en una planta alta. El caso es que en menos de la cienmillonésima parte de un segundo decide que no quiere estar allí, se tira del ascensor (re-emite el fotón) y vuelven a ocupar las plantas bajas. La clave es que hay determinados pisos o niveles atómicos en algunos iones, como el oxígeno, azufre y nitrógeno, a los que se llega sin ascensor (sin fotón). En este caso son otros electrones libres (los arrancados que andaban sueltos por ahí) los que ceden energía y transportan a los pisos superiores a los electrones atrapados en los átomos. A los niveles a los que se llega de este modo los llamamos prohibidos. En estos niveles atómicos a los electrones les gusta quedarse hasta minutos (un tiempo millones de veces más largo que el que se quedan en los niveles permitidos). Lo triste quizás es que se quedan allí porque no pueden irse a otro sitio.

Describir lo que acabo de contar con ascensores es mecánica cuántica y requiere un montón de ecuaciones (y años de estudio) formalizarlo. En ese lenguaje técnico diríamos que la emisión se produce por líneas de excitación colisional cuando se producen transiciones descendentes a partir de niveles de energía metaestables en átomos ionizados con probabilidades de transición bajas. Pero volvamos a Tierra, en nuestro entorno, la densidad de partículas es siempre tan alta que las colisiones entre átomos se llevan la energía antes de que pueda ocurrir una transición hacia abajo. Por eso no se podía reproducir esta emisión en el laboratorio.

En las condiciones de densidad baja que tiene el gas en las que conocemos como regiones HII, nebulosas planetarias y remanentes de supernova, son iones de átomos como el oxígeno, azufre y nitrógeno los que emiten estas líneas inusuales. Belleza prohibida que no solo nos revela la estructura de objetos entre los que se encuentran los más fascinantes del cielo, sino que son tan brillantes que nos permiten observarlas a grandes distancias y reconstruir, por ejemplo, la historia química de galaxias muy muy lejanas.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

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. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología.

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