Entendiendo el universo desde el sof¨¢ una tarde de invierno

Domingo despu¨¦s de comer. Hace fr¨ªo fuera, mejor quedarse calentito en el sof¨¢, debajo de la manta. No lo veo directamente, pero los rayos del sol vespertino entran por la ventana y pienso: ¡°la cantidad de polvo que hay en el aire¡±. Se suceden destellos por todas partes, puedo ver flotando en el aire las motas de polvo que normalmente pasan desapercibidas y que nos rodean en cualquier sitio, sobre todo en uno cerrado. Veo incluso las turbulencias en el polvo si mi hija pasa corriendo por la habitaci¨®n, o c¨®mo suben las motas por la corriente convectiva que crea el radiador.

Hay un mont¨®n de f¨ªsica en esa imagen que creo que todos hemos visto alguna vez, desde din¨¢mica de fluidos hasta f¨ªsica estad¨ªstica para describir la distribuci¨®n de velocidades de las motas de polvo. Pero hoy quiero centrarme en dos aspectos que son exactamente iguales a lo que utilizamos los astrof¨ªsicos para estudiar c¨®mo se forman los planetas (y las estrellas que los albergan) y que tienen que ver, c¨®mo no pod¨ªa ser de otra manera, con la luz.

Primer concepto f¨ªsico: los rayos de luz de ese sol que no veo inciden en las motas de polvo y estas los reflejan. Eran rayos que nunca habr¨ªan llegado a mis ojos, pero el polvo los redirige hacia mi. Eso se llama dispersi¨®n de la luz, ¡°scattering¡± en ingl¨¦s. Cada mota de polvo se comporta como un peque?o espejo, aunque bastante imperfecto porque no refleja toda la luz, parte la absorbe. Y eso nos lleva al segundo concepto f¨ªsico: esos rayos de sol, esa energ¨ªa, es tambi¨¦n en parte absorbida por las motas de polvo y las calienta. Como todo cuerpo a cierta temperatura, el polvo emite luz. Pero esa luz es bastante diferente a la que ha llegado del Sol, el polvo es un ¡°transformador de radiaci¨®n¡±, aunque los fotones que emite el polvo dependen de c¨®mo eran los que lo calentaron. Los fotones que crea el polvo no son perceptibles por nuestros ojos, son fotones infrarrojos que todo lo que se encuentra a nuestro alrededor est¨¢ emitiendo en mayor o menor medida. As¨ª que menos mal que no ¡°vemos¡± los fotones infrarrojos, porque nos cegar¨ªan, demasiada radiaci¨®n como para distinguir algo concreto.

Formaci¨®n de planetas

Hasta aqu¨ª la f¨ªsica de andar por casa, nunca mejor dicho. Ahora, ?qu¨¦ tiene que ver todo esto con la formaci¨®n de planetas y con la astrof¨ªsica? Pues exactamente con los mismos procesos f¨ªsicos es como estudiamos los sistemas planetarios en formaci¨®n, los llamados discos protoplanetarios (conocidos como proplyds, por su abreviatura en ingl¨¦s), y tambi¨¦n la formaci¨®n de la propia estrella o estrellas que reinan en esos sistemas. Primero las estrellas y acto seguido los planetas (o simult¨¢neamente) se forman en nubes de gas que tambi¨¦n contienen polvo interestelar. Este consiste principalmente en lo que se conoce como silicatos y mol¨¦culas con carbono como los llamados hidrocarburos polic¨ªclicos arom¨¢ticos (PAHs por sus siglas en ingl¨¦s) o el grafito. Parecen compuestos muy raros, pero solo por el nombre, porque los silicatos dan cuenta de m¨¢s del 90% de la corteza terrestre; los PAHs nos rodean cuando algo se quema, por ejemplo, madera en una barbacoa o la propia carne en una cocina, o se encuentran tambi¨¦n en el humo de los tubos de escape de los coches; y el grafito, ese s¨ª lo tenemos m¨¢s controlado, sabemos que se usa para l¨¢pices pero tambi¨¦n para rodamientos, lubricantes industriales o en reactores nucleares.

Volviendo a los discos protoplanetarios, las motas de polvo interestelar dan lugar a los planetas, aunque la cosa no es sencilla, por el camino suelen perderse los PAHs y muchas de las mol¨¦culas carb¨®nicas, la nube se transforma en un disco,... ?Y se tiene que juntar mucho polvo para formar un planeta, como las pelusas en las esquinas de casa! El polvo en los discos tiene en un principio tama?os parecidos, unas pocas micras (tan grandes como una bacteria o un gl¨®bulo rojo), y dispersan la luz igual que las motas de polvo de nuestra casa (la composici¨®n es normalmente muy diferente, en nuestra casa dominan los trocitos de piel, pelo, ropa,...). Se calientan tambi¨¦n, aunque su temperatura t¨ªpica est¨¢ muy por debajo de la de nuestras casas, de unos -200 a -250 grados cent¨ªgrados.

A veces los discos protoplanetarios son tan densos que no dejan ver la luz de la propia estrella nonata o ya formada que est¨¢ en el centro del disco y cuya gravedad y radiaci¨®n dominan el comportamiento del disco. Pero el estudio de la luz dispersada por el polvo nos permite saber c¨®mo es esa estrella o proyecto de estrella. Es como en nuestro sof¨¢, no ve¨ªamos el Sol pero parte de su luz nos llegaba reflejada por las motas de polvo.

Spitzer

Toda esta f¨ªsica que estoy contando es lo que hemos utilizado ya durante un par de d¨¦cadas para estudiar c¨®mo se forman los planetas. Empezamos con observaciones desde tierra, muy limitadas porque la radiaci¨®n infrarroja proveniente de objetos astron¨®micos es inmensamente m¨¢s d¨¦bil que la luz infrarroja emitida por todo lo que nos rodea en nuestro planeta, y porque nuestra atm¨®sfera es opaca para parte del espectro infrarrojo. As¨ª que tuvimos que mandar observatorios al espacio, como Spitzer, un peque?o telescopio de solo 80 cent¨ªmetros de di¨¢metro que, sin embargo, estando a una temperatura de menos de 240 grados cent¨ªgrados bajo cero, era extremadamente sensible a la emisi¨®n t¨¦rmica del polvo interestelar. Con el telescopio espacial Hubble descubrimos los llamados proplyds en la famosa nebulosa de Ori¨®n, donde miles de estrellas se est¨¢n formando en estos momentos, con sus discos protoplanetarios alrededor. Con Spitzer, por medio de la emisi¨®n infrarroja del polvo, logramos estudiar su composici¨®n, detectando los mencionados silicatos, y tambi¨¦n hielos de agua, de di¨®xido de carbono o de metanol, que parad¨®jicamente se usaba para evitar la congelaci¨®n del agua en nuestros coches.

Spitzer era un telescopio peque?o, incluso m¨¢s peque?o que lo que muchos astr¨®nomos aficionados usan cada noche. Hoy el telescopio espacial James Webb, que normalmente se identifica con el heredero de Hubble (que no su sustituto) y no tanto de Spitzer a¨²n si¨¦ndolo, nos va a permitir estudiar la luz infrarroja proveniente de sistemas planetarios en formaci¨®n de una manera mucho m¨¢s detallada. Eso ser¨¢ gracias a su tama?o 8 veces mayor que Spitzer y a su temperatura, que si bien es algo mayor que la de Spitzer, a¨²n har¨¢ posible observar una mir¨ªada de sistemas planetarios en distintos estadios de su evoluci¨®n que nos permitir¨¢n reconstruir una historia de nuestro propio Sistema Solar. Todo ello con f¨ªsica que podemos aprender desde nuestro sof¨¢ mientras imaginamos viajes de conocimiento por el universo, manteni¨¦ndonos calentitos, eso s¨ª.

Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez es investigador 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 un ¨¢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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