L¨ªneas prohibidas

L¨ªneas prohibidas, podr¨ªa ser un buen t¨ªtulo para una novela negra. Un p¨¢rrafo misterioso que provoca la muerte a quien lo lee. Una investigaci¨®n con unos personajes desali?ados y quiz¨¢s inteligentes, que intentan esclarecer estos extra?os sucesos. Si ajustamos un poco la trama y aceptamos que los Sherlocks son astr¨®nomos que adem¨¢s mueren de manera natural, tenemos nuestro relato de intriga tipo ¡°El nombre de la rosa¡± en el descubrimiento hace casi 100 a?os del mecanismo que explica la emisi¨®n de luz de muchos objetos celestes. Un ¨²ltimo detalle, los ¨²nicos cad¨¢veres son de estrellas y las l¨ªneas prohibidas est¨¢n escritas en el equivalente astrof¨ªsico de un libro: un espectro.

Corr¨ªa el a?o 1868 cuando el astr¨®nomo ingl¨¦s Sir William Huggins le puso nombre a aquello que llevaba de cabeza a los astr¨®nomos de la ¨¦poca: unas l¨ªneas de emisi¨®n verde brillante que se observaban cuando se descompon¨ªa en su espectro la luz proveniente de ciertas nebulosas. Como esas l¨ªneas de luz no se observaban en los espectros que se tomaban en los gases en los laboratorios aqu¨ª en la Tierra, el Sir ingl¨¦s propuso que se trataba de un nuevo elemento qu¨ªmico. No se comi¨® mucho la cabeza y lo llam¨® nebulium. Recordemos que la ¨²nica forma de determinar la naturaleza de las sustancias responsables de la luz que vemos en el cielo, a falta de teor¨ªa, es comparar sus l¨ªneas con los espectros producidos en el laboratorio. No fue hasta 1927 que se descubri¨® por Ira S. Bowen que el nebulium no existe y que son simplemente elementos comunes como el ox¨ªgeno y el nitr¨®geno cargados el¨¦ctricamente, es decir ionizados, los responsables de que se produzca esta luz en determinados objetos astron¨®micos.

No fue hasta 1927 que se descubri¨® por Ira S. Bowen que el ¡®nebulium¡¯ no existe y que son simplemente elementos comunes como el ox¨ªgeno y el nitr¨®geno cargados el¨¦ctricamente, es decir ionizados, los responsables de que se produzca esta luz en determinados objetos astron¨®micos

Estas l¨ªneas, a pesar de que se observan en muchos objetos con fuentes de energ¨ªa muy diferentes como supernovas, nebulosas planetarias, entornos de los agujeros negros en los n¨²cleos activos de galaxias o auroras boreales, son l¨ªneas que llamamos prohibidas. El t¨¦rmino es enga?oso y ser¨ªa mucho m¨¢s acertado llamarlas ¡°l¨ªneas de emisi¨®n muy poco probables en condiciones terrestres¡± (miremos a donde miremos siempre se nos escapa el antropocentrismo de un modo u otro), aunque tambi¨¦n tenemos que reconocer que esta es una de las pocas veces que los astr¨®nomos le han puesto a algo un nombre con gancho.

Lo fascinante es descender al mundo de lo diminuto, al mundo cu¨¢ntico, para comprender c¨®mo se produce esa luz tan ¨²til para entender el cosmos y que nos permite medir, por ejemplo, cu¨¢nto ox¨ªgeno del mismo que respiramos tiene una galaxia que se encuentra a miles de millones de a?os luz de la Tierra. Ahora sabemos que para que se emita este tipo de luz necesitamos b¨¢sicamente dos cosas: una fuente de luz con mucha energ¨ªa y un gas con una densidad extremadamente baja. Supongamos que tenemos estos dos ingredientes, convirt¨¢monos por un momento en algo mucho m¨¢s peque?o que ant-man para ver qu¨¦ est¨¢ pasando a nivel de las part¨ªculas elementales.

Todos los ¨¢tomos tienen un n¨²cleo compacto con carga positiva donde est¨¢n los protones y rodeando a esta peque?a estructura tendr¨ªamos a los electrones en sus nubes. Una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza, la fuerza electromagn¨¦tica, mantiene a ambos unidos siempre y cuando no haya un fot¨®n de luz por medio que pueda dar tanta energ¨ªa a un electr¨®n que literalmente lo arranque de su ¨¢tomo. Ya sabemos entonces para qu¨¦ necesit¨¢bamos la fuente de energ¨ªa: para arrancar electrones del control de los protones. Este proceso llamado ionizaci¨®n se da en la atm¨®sfera de la Tierra a gran escala en la ionosfera.

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

Imaginemos ahora que estos ¨¢tomos 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 com¨²n, a esos electrones no les gusta tener vistas y vivir en las plantas altas, sino que prefieren estar cerca del n¨²cleo, en el s¨®tano. Los fotones se comportan como un ascensor, dan energ¨ªa a los electrones y los suben a las plantas altas del edificio del ¨¢tomo o los lanzan directamente fuera como en el ascensor de cristal de Willy Wonka. La mayor parte de estas torres son las del ¨¢tomo m¨¢s com¨²n que existe el hidr¨®geno y en ellas el ¨²nico electr¨®n que hay se sube en un fot¨®n (lo absorbe) y se coloca en una planta alta. El caso es que en menos de la cienmillon¨¦sima parte de un segundo decide que no quiere estar all¨ª, se tira del ascensor (re-emite el fot¨®n) y vuelven a ocupar las plantas bajas. La clave es que hay determinados pisos o niveles at¨®micos en algunos iones, como el ox¨ªgeno, azufre y nitr¨®geno, a los que se llega sin ascensor (sin fot¨®n). En este caso son otros electrones libres (los arrancados que andaban sueltos por ah¨ª) los que ceden energ¨ªa y transportan a los pisos superiores a los electrones atrapados en los ¨¢tomos. A los niveles a los que se llega de este modo los llamamos prohibidos. En estos niveles at¨®micos a los electrones les gusta quedarse hasta minutos (un tiempo millones de veces m¨¢s largo que el que se quedan en los niveles permitidos). Lo triste quiz¨¢s es que se quedan all¨ª porque no pueden irse a otro sitio.

Describir lo que acabo de contar con ascensores es mec¨¢nica cu¨¢ntica y requiere un mont¨®n de ecuaciones (y a?os de estudio) formalizarlo. En ese lenguaje t¨¦cnico dir¨ªamos que la emisi¨®n se produce por l¨ªneas de excitaci¨®n colisional cuando se producen transiciones descendentes a partir de niveles de energ¨ªa metaestables en ¨¢tomos ionizados con probabilidades de transici¨®n bajas. Pero volvamos a Tierra, en nuestro entorno, la densidad de part¨ªculas es siempre tan alta que las colisiones entre ¨¢tomos se llevan la energ¨ªa antes de que pueda ocurrir una transici¨®n hacia abajo. Por eso no se pod¨ªa reproducir esta emisi¨®n 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 ¨¢tomos como el ox¨ªgeno, azufre y nitr¨®geno los que emiten estas l¨ªneas inusuales. Belleza prohibida que no solo nos revela la estructura de objetos entre los que se encuentran los m¨¢s fascinantes del cielo, sino que son tan brillantes que nos permiten observarlas a grandes distancias y reconstruir, por ejemplo, la historia qu¨ªmica de galaxias muy muy lejanas.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n 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 cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa.

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