El universo en una taza de café
11. El sol tampoco es el centro del universo… y las estrellas no están tan quietas como pensamos
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EL SOL TAMPOCO ES EL CENTRO DEL UNIVERSO... Y LAS ESTRELLAS NO ESTÁN TAN QUIETAS COMO PENSAMOS
Ahora sabíamos que la luz podía ayudarnos a conocer la composición química de las estrellas, pero aún quedaba por averiguar qué era la luz en sí. Es decir, con el espectroscopio podíamos interpretar unos colores y unas líneas oscuras, pero no sabíamos qué las provocaba.
Resultó que la respuesta estaba, en parte, en esos pedruscos mágicos que se atraían entre sí y que se conocían desde tiempos inmemoriales. ¿Cómo los llamamos ahora? Ah, sí, imanes.
A lo largo de la historia, siempre ha existido polémica en torno a la profunda reflexión sobre qué puñetas es la luz. Básicamente, en el mundo había dos clases de personas (otra vez): las que creían que la luz era una especie de onda y las que decían que estaba compuesta por partículas.
Los filósofos griegos eligieron bando hace más de dos mil años sin darse cuenta: mientras que Aristóteles propuso que la luz es una perturbación en el aire, Demócrito defendía que todo lo que contiene el universo, incluyendo la luz, está compuesto por diminutos subcomponentes indivisibles.
Fue en el siglo XIX cuando el físico escocés James Clerk Maxwell se encargó de responder a la pregunta milenaria: ¿qué es la luz?
DATO CURIOSO
Maxwell demostró también que los anillos de Saturno no podían ser un objeto sólido porque en ese caso su órbita no sería estable alrededor del planeta y dedujo que debían de estar compuestos por numerosas partículas pequeñas que dan vueltas independientemente alrededor del planeta. Su hipótesis no se dio por cierta hasta 1980, cuando la sonda espacial Voyager pasó por delante de Saturno y comprobó que, en efecto, Maxwell estaba en lo cierto.
Maxwell había demostrado tener una curiosidad sin precedentes desde que era muy pequeño y escribió su primer tratado científico a los catorce años en el que diseñaba un aparato con el que dibujar figuras geométricas. Desarrolló un profundo interés por la luz y, a los veinticuatro años, demostró que la luz blanca viene de la combinación de la roja, la azul y la verde con un experimento que cualquiera puede probar en casa. Basta con hacer un disco con estos tres colores, añadirle un eje y ponerlo a girar en el suelo como una peonza y, mientras da vueltas, veremos cómo los tres colores desaparecen para dar lugar al blanco.
LA NATURALEZA DE LA LUZ
Maxwell conoció a Michael Faraday, un profesor cuarenta años mayor que él, que había descubierto el efecto de la inducción electromagnética.
Ya empezamos otra vez con las palabras complicadas.
Esto, que parece muy complicado, en realidad es un concepto muy simple. Tan sólo significa que cuando un material que conduce la electricidad (como el cobre o el hierro) se ve influenciado por un campo magnético que aumenta y disminuye de intensidad, entonces aparece una corriente eléctrica en este material. A su vez, una corriente eléctrica también es capaz de crear un campo magnético a su alrededor.
Ése es el motivo, de hecho, por el que los cables de alta tensión tienen que estar bien separados. La corriente que pasa por su interior produce un campo magnético a su alrededor y, si dentro de ese campo magnético hay otro cable, en él aparecerán corrientes eléctricas extra que podrían dañarlo.
Todos estaréis familiarizados con la típica representación de un campo magnético, compuesto por una serie de líneas que van de un polo al otro de un objeto con propiedades magnéticas. Si alguna vez habéis espolvoreado virutas de hierro alrededor de un imán, habréis notado cómo tienden a agruparse alrededor de estas líneas.
Si movemos este campo magnético a lo largo de un material conductor, los electrones que contiene se moverán y producirán una corriente eléctrica (que, en realidad, no es más que un flujo de electrones).
Después de pasar un tiempo haciendo experimentos con electroimanes para intentar describir su comportamiento, en 1861 Maxwell publicó su trabajo Líneas físicas de fuerza en el que describía las ecuaciones que gobernaban este fenómeno. Entre otras cosas, explicaba cómo las corrientes eléctricas generadas por los imanes en los cables se propagaban como lo haría una onda, y llegó a la conclusión de que la luz y el magnetismo son efectos de la misma sustancia y que la luz es una perturbación electromagnética propagada a través del campo de acuerdo con las leyes electromagnéticas.[73] Más concretamente, Maxwell defendía que la luz consiste en ondulaciones transversales del mismo medio, que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos.[74]
O sea, que la luz es una onda que, en vez de estar compuesta por frentes de altas y bajas presiones, como el sonido, consiste en fluctuaciones de un campo magnético y uno eléctrico.
Estupendo. ¿Y QUÉ?
Hummm… La verdad es que la luz es uno de los temas complicados. Vamos a ver.
Al tirar una piedra a un lago, ésta perturba la superficie del agua porque la piedra pasa a ocupar el espacio en el que antes había un líquido. Ese líquido tiene que desplazarse para quitarse de en medio, así que por un lado sale volando hacia arriba y, como todo líquido tiende a formar una superficie plana, el agua que no ha tomado suficiente impulso para ser eyectada hacia el aire se desplaza hacia los lados para disipar la energía.
A medida que las ondas se alejan de la zona de impacto en un patrón circular, van perdiendo altura y anchura rápidamente hasta que a suficiente distancia del punto donde la piedra ha caído se vuelven indistinguibles del agua que está en reposo. Las olas sobre el agua, por tanto, son un caso de una onda que se propaga en dos dimensiones.
Pero las ondas pueden propagarse también en tres dimensiones, formando una esfera en vez de un círculo. Éste es el caso del sonido, consistente en frentes de aire de alta y baja presión que se alternan a medida que inundan la atmósfera. Estas variaciones de presión llegan hasta nuestros oídos y hacen vibrar nuestros tímpanos porque los frentes de alta presión lo empujan hacia dentro y los de baja presión «tiran» de él. Según el ritmo al que se suceda esta vibración, nuestro cerebro interpretará el sonido de distintas formas: percibimos los frentes de presión anchos como sonidos graves y los pulsos cortos como ruidos agudos.
Pero, claro, si nuestros tímpanos vibran demasiado despacio o demasiado rápido, nuestro cerebro es incapaz de distinguir las oscilaciones y, por tanto, es incapaz de procesar la vibración que provocan, así que, aunque nuestros tímpanos sigan vibrando on fire, no oímos nada. Éste es el límite de audición humano, el rango comprendido entre 15 y 18.000 pulsaciones de estas ondas de presión cada segundo.
Llamamos infrasonidos a los ruidos que están por debajo de 15 pulsaciones por segundo y ultrasonidos a los que pulsan por encima de 18.000. Pero que no podamos oírlos no significa que no existan: los perros, por ejemplo, que tienen un rango auditivo mayor que los humanos, pueden oír sonidos con pulsaciones más rápidas que nosotros. Por eso nosotros podríamos estar en medio del campo pensando que sólo el agradable trinar de los pájaros y las cigarras rompe el silencio sepulcral mientras nuestro perro podría estar volviéndose loco buscando de dónde procede el pitido que le está taladrando los oídos.
No sé si te has dado cuenta de que has empezado hablando de la luz y has acabado hablando de orejas y perros, ¿eh?
Pero es que precisamente la luz se comporta de manera parecida a una onda de sonido: es una perturbación tridimensional que se expande de manera esférica por el espacio. Aunque, claro, la luz no está compuesta por frentes de altas y bajas presiones que se van alternando, sino, como Maxwell había descubierto, por campos eléctricos y magnéticos cuya intensidad va creciendo y decreciendo mientras se propagan por el espacio. Y de ahí que se diga que la luz es una onda electromagnética.
De la misma manera que un sonido nos parece más agudo o más grave según su longitud de onda, cuando la luz impacta contra nuestras retinas, nuestro cerebro interpreta su longitud de onda como un color distinto, correspondiendo las ondas más cortas a colores más azulados y las más largas a colores rojizos.
Pero, igual que nuestros oídos sólo pueden detectar los sonidos en un rango determinado de frecuencias, nuestros ojos sólo son capaces de detectar ondas electromagnéticas con longitudes de onda de entre 390 y 700 nanómetros (o, lo que es lo mismo, milmillonésimas de milímetro).
Ahora que ya sabemos cuál es la naturaleza de la luz por fin podemos ver cómo influenció su estudio en el avance de la astronomía…
¡ALELUYA!
… Pero antes vamos a hablar de ambulancias.
Pero ¿qué…?
No te preocupes, voz cursiva, será sólo un momento.
Hoy en día se sabe que el comportamiento de la luz es un tanto complejo: en determinadas situaciones, puede comportarse como una onda o como una partícula. Ambos estados no son excluyentes, lo que significa que la luz puede ser onda y partícula al mismo tiempo.
LAS AMBULANCIAS Y EL EFECTO DOPPLER
¿Alguna vez ha pasado una ambulancia por delante de vosotros a toda velocidad? Bueno, vale, no tiene por qué ser una ambulancia, puede ser cualquier tipo de vehículo escandaloso. Yo qué sé, un coche con la música a todo volumen también vale.
Si es así, habréis notado que el sonido emitido desde el vehículo parece sonar en un tono agudo cuando se acerca, recupera el tono normal cuando pasa por delante de vosotros y se vuelve grave cuando se aleja.
En 1842 no existían las ambulancias ni los coches ruidosos, pero el físico Christian Doppler pudo descubrir la causa de este fenómeno. Y el secreto está en las ondas.
Como hemos visto, el sonido está compuesto por ondas de presión que se propagan por el espacio y que su longitud de onda determina el tono con el que lo escuchamos. Pues bien, cuando un objeto en movimiento emite algún ruido, las ondas sonoras se comprimen enfrente de él y se distancian entre sí por detrás.
Doppler predijo que este mismo efecto se podría observar en cualquier tipo de onda emitida por un objeto en movimiento. Resulta que las estrellas son objetos en movimiento que emiten luz, que no es más que otro tipo de onda y, como habréis adivinado porque ya hemos visto qué relación existe entre la longitud de onda y los colores, en su caso las ondas comprimidas frente a ellas adoptarán un tono más azulado al ver su longitud de onda reducida, mientras que las ondas que quedarán atrás presentarán una tonalidad rojiza al quedar las ondas más estiradas.
Entonces, ¿todas las estrellas rojas se están alejando de nosotros y las estrellas azules se están acercando?
No, no. Aunque Doppler así lo supuso al principio, para que una estrella que emite luz blanca se vea azul o roja debido únicamente a este efecto debería estar moviéndose a una fracción considerable de la velocidad de la luz. Y ése, por suerte, no es el caso.
El principal responsable del color de las estrellas es su temperatura, aunque su composición química también tiene cierta relevancia.
Si empezamos a calentar un pedazo de metal, veremos que a medida que aumenta su temperatura empezará a brillar con un color rojizo hasta los 1.000 ºC. Si aplicamos más calor, el tono irá volviéndose más anaranjado y brillante hasta llegar a los 3.000 ºC y, si subimos la temperatura aún más, adoptará un color amarillento hasta alcanzar los 6.000 ºC. Si el trozo de metal se calienta más allá de esta temperatura, su brillo se convertirá en un fulgor cegador blanco. A temperaturas de alrededor de 10.000 ºC, el brillo se volverá azulado.
Con las estrellas ocurre lo mismo. Las estrellas más calientes brillan con tonalidades azuladas, mientras que las más frías presentan colores rojizos. Y de la temperatura de su superficie es precisamente de donde viene el brillo del Sol: con una temperatura superficial de unos 6.000 ºC, el gas que lo compone está incandescente y emite una enorme cantidad de luz.
LAS ESTRELLAS SE MUEVEN
¿Os acordáis de las líneas oscuras que aparecen al descomponer la luz que emite un objeto? Pues, en realidad, cuando se dice que la luz de una estrella se desplaza hacia el rojo cuando ésta se aleja de nosotros o hacia el azul cuando se acerca significa que todas las líneas negras que contiene su luz se desplazan hacia un extremo u otro del espectro de colores.
Por ejemplo, si queremos saber hacia dónde se está moviendo una estrella, descompondremos su luz para ver dónde están sus líneas oscuras y las identificaremos. Un elemento que se utiliza habitualmente para este proceso es el hidrógeno porque…, bueno, porque ya hemos visto que representa un 90% de la masa de una estrella.
Bastará con buscar las líneas correspondientes al hidrógeno en el espectro de la estrella y ver si aparece en una posición distinta a la que debería estar y, si todas las líneas han sido desplazadas hacia el extremo violeta, significa que la estrella se está acercando. Si, por el contrario, se han desplazado hacia el extremo rojo, se estará alejando.
Sabiendo lo desplazadas que están las líneas en el espectro electromagnético se puede calcular fácilmente la velocidad del objeto que emite la luz con una ecuación matemática.[75] Y éste es el método que utilizó el astrónomo William Huggins en 1868 para determinar, por primera vez, la velocidad a la que se desplazaba una estrella. El resultado tenía una gran trascendencia porque no sólo se dio cuenta de que el firmamento no es tan inamovible como parece, sino que, además, ayudó a descubrir que el Sol tampoco es el centro del universo.
EL SISTEMA SOLAR SE MUEVE
En el siglo XIX todo el mundo aceptaba que el Sol se hallaba en el centro del sistema solar y, como hemos visto un par de capítulos antes, se había descubierto que las estrellas están tremendamente lejos de nosotros. Se sabía que las estrellas también se movían, pero ¿alrededor de qué daban vueltas? ¿Podría ser del Sol? Dada la distancia que nos separa de ellas y el hecho de que su composición química sugería que eran objetos muy parecidos al Sol, ésta parecía una idea difícil de concebir.
Desde luego, el astrónomo William Herschel no creía que el Sol fuera el centro del universo ni que el resto de las estrellas dieran vueltas a su alrededor. Además de encontrar pares de estrellas dobles, es decir, estrellas que se orbitan entre sí, en 1802 descubrió que las leyes de la gravitación que funcionan para modelar y predecir el comportamiento de los cuerpos que componen nuestro sistema solar se cumplían también para el resto de las estrellas.
Herschel intentó buscar pruebas que respaldaran su idea pero, por desgracia, no tenía las herramientas necesarias como para hacerlo de manera sencilla porque murió en 1822… Y Bunsen y Kirchhoff no inventaron su espectroscopio hasta 1859. Por otro lado, el primer telescopio suficientemente potente como para observar el paralaje (el cambio de posición perceptible desde puntos distintos de nuestra órbita) de las estrellas no se inventaría hasta 1838. Entonces, ¿cómo iba Herschel a observar el movimiento de las estrellas sin estas herramientas, si están tan lejos que durante una vida humana no se puede distinguir su cambio de posición aparente en el firmamento?
La respuesta es muy curiosa.
Casi un siglo antes, en 1718, Edmund Halley había estado mirando las posiciones de Arturo y Sirio en mapas estelares de la época de Ptolomeo y notó que, durante casi dos mil años, Arturo se había desplazado 1º en el cielo y Sirio la mitad de esa cifra.[76]
Herschel utilizó la misma estrategia para ver si otras estrellas se habían movido, aunque con unas observaciones que estaban más al día, claro. Se basó en el trabajo de John Flamsteed, que vivió entre 1646 y 1719 y ocupó el puesto de Astrónomo Real de Gran Bretaña. Durante su vida, Flamsteed catalogó la posición de 3.000 estrellas, así que a Herschel esto le venía de perlas porque, por un lado, las estrellas habían tenido alrededor de cien años para moverse y, por otro, las observaciones eran suficientemente recientes como para que fueran precisas.
Así que Herschel tomó los catálogos de Flamsteed y empezó a comparar las posiciones de las estrellas que en él aparecían representadas durante el siglo XVII con el cielo que él veía a principios del siglo XIX.[77]
Después de comparar un gran número de estrellas, Herschel observó que en el presente había una zona del cielo donde las estrellas parecían estar juntándose entre sí, mientras que en el punto opuesto del firmamento las estrellas se estaban separando.
Para Herschel, la conclusión era obvia y la dejó escrita en 1783 en su trabajo Sobre el movimiento propio del Sol y el sistema solar: el Sol estaba moviéndose hacia ese punto del cielo hacia el que las estrellas tienden a separarse entre sí, llamado el ápex solar, cerca de la constelación de Hércules y la estrella Vega.
La idea tiene mucho sentido. Si pintas unos cuantos puntos negros en la pared y los miras desde lejos te dará la impresión de que están muy cerca entre sí, pero te parecerá que su separación aumenta a medida que te acerques a ellos. Éste es el motivo por el que las estrellas parecen separarse entre sí en un lado del firmamento mientras el sistema solar se mueve en su dirección.
Pero Herschel razonó que este fenómeno tenía que deberse también, en parte, al movimiento de las propias estrellas y que éstas debían desplazarse en la misma dirección que nosotros, pero a distintas velocidades.
O sea, que ya ni siquiera el Sol era el centro del universo.
El trabajo de Herschel no fue aceptado de inmediato y tuvo que esperar a ser confirmado mediante la espectroscopia, sin duda un sistema mucho más directo para medir si las cosas se están alejando o acercando del observador. Pero el misterio del movimiento de las estrellas sobrevivió a su muerte. ¿Se estaban moviendo alrededor de algo?