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Puede parecer asombroso, pero muchos astrónomos aficionados (y quizás ocasionalmente hasta alguno profesional) no tienen idea clara sobre la procedencia de la mayor parte de la luz visible del universo. Claro, dirán ustedes, ¡viene de las estrellas!. Pero

No fue hace demasiado tiempo (13.700 millones de años, según algunos cálculos) que ocurrió un acontecimiento cosmológico bastante significativo. Hablamos, por supuesto, del Big Bang.

Los cosmólogos nos dicen que en algún momento no existía el universo tal como lo conocemos. Lo que fuera que existiera antes de ese momento es algo nulo y vacío, más allá de todo concepto. ¿Por qué?. Bueno, hay un par de respuestas para eso; la filosófica, por ejemplo. Porque antes de que el universo tomara forma no había nada que podamos concebir. Pero también hay una respuesta científica, y la misma es la siguiente: antes del Big Bang no existía un continuo espacio-tiempo, el medio inmaterial a través del cual todas las cosas, la energía y la materia, se mueven.

Una vez que surgió el continuo espacio-tiempo, una de las cosas más móviles que tomaron forma fueron las unidades de luz que los físicos llaman “fotones”.

La noción científico de los fotones comienza con el hecho de que estas partículas elementales de energía muestran dos comportamientos aparentemente contradictorios. Uno de ellos tiene que ver sobre la forma en que actúan como miembros de un grupo (en un frente de onda) y el otro se relaciona con cómo se comportan cuando están aislados (como partículas discretas).

Se puede considerar a un fotón individual como un paquete de ondas moviéndose como un sacacorchos y trasladándose rápidamente por el espacio. Cada paquete es una oscilación a lo largo de dos ejes de fuerza perpendiculares, el eléctrico y el magnético. Como la luz es una oscilación, las partículas-ondas interactúan unas con otras. Una forma de comprender la naturaleza dual de la luz es darse cuenta de que onda tras onda de fotones afectan a nuestros telescopios, pero que los fotones individuales son absorbidos por las neuronas de nuestros ojos.

Los primeros fotones que recorrían el continuo espacio-tiempo eran extremadamente poderosos. Como grupo, eran increíblemente intensos. Como individuos, cada uno vibraba con una frecuencia extraordinaria. La luz de estos fotones primordiales iluminó rápidamente los límites en rápida expansión del universo juvenil. La luz estaba en todos lados, pero todavía estaba por verse la materia.

Como el universo se expandía, la luz primordial perdió rápidamente tanto frecuencia como intensidad. Esto ocurrió cuando los fotones originales se diseminaron cada vez más ampliamente a lo largo del universo en expansión. Hoy en día, la primera luz de la creación todavía reverbera por todo el cosmos. Se la ve como la radiación de fondo cósmico. Y ese tipo particular de radiación no es más visible al ojo humano que la que se encuentra en un horno de microondas.

La radiación que vemos hoy NO es la luz primordial. La radiación primordial se ha corrido hacia el rojo hasta el extremo más bajo del espectro electromagnético. Esto ocurrió porque el universo se expandió desde lo que originalmente no fue más grande que un átomo hasta el punto en que nuestros mayores instrumentos todavía tienen que hallar sus límites. El conocimiento de que la luz primordial es ahora tan tenue obliga a buscar en otra parte la explicación del tipo de luz visible para nuestros ojos y nuestros telescopios.

Mapa de la radiación cósmica de fondo. Crédito: COBE

Las estrellas como nuestro Sol existen porque el espacio-tiempo hace algo más que simplemente trasmitir la luz en forma de ondas. De alguna forma (aún no explicada ^-1-) el espacio-tiempo hace lo mismo con la materia. Y lo único que distingue a la luz de la materia, es que esta última tiene “masa”, mientras que la primera no.

A causa de la masa, la materia muestra dos propiedades principales: inercia y gravedad. La inercia puede definirse como la resistencia al cambio. Básicamente, la materia es perezosa, y simplemente sigue haciendo lo que sea que haya estado haciendo, a menos que algo exterior actúe sobre ella. Muy temprano en la formación del universo, la principal cosa que superó la pereza de la materia fue la luz. Bajo la influencia de la presión de radiación, la materia primordial (en su mayor parte hidrógeno) comenzó a “organizarse”.

Luego del empuje producido por la luz, algo dentro de la materia comenzó a hacerse cargo de las cosas: ese sutil comportamiento que llamamos “gravedad”.

Se ha descrito a la gravedad como “una distorsión del continuo espacio-tiempo”. Tales distorsiones ocurren siempre que la masa está presente. Como la materia tiene masa, el espacio se curva. Es esta curvatura la que hace que la materia y la luz se muevan en formas que recién fueron aclaradas en el siglo XX por Albert Einstein. Todos y cada uno de los pequeños átomos de la materia causan una diminuta “micro-distorsión” en el espacio-tiempo ^-2-. Y cuando se juntan muchas micro-distorsiones, pueden suceder algunas cosas muy grandes.

Y lo que sucedió fue la formación de las primeras estrellas. No eran estrellas ordinarias, sino gigantes supermasivas que vivían sus vidas muy rápidamente y las terminaban con finales muy, muy espectaculares. En esos finales, estas estrellas colapsaban sobre sí mismas (bajo el peso de toda esa enorme cantidad de masa) y generaban tremendas ondas de choque, de tal intensidad que lograban la fusión de elementos completamente nuevos a partir de los viejos. Como resultado de ésto, el espacio-tiempo quedó repleto de muchos tipos de materia (átomos) que son los que conforman el universo actual.

Desde el Big Bang hasta hoy. Crédito: Diomedes.com

Hoy, existen dos tipos de materia atómica. La primordial y algo que podríamos llamar “cosa de las estrellas”. Ya sea de origen primordial o estelar, la materia atómica compone todo lo que vemos y tocamos. Los átomos tienen propiedades y comportamientos. La inercia, la gravedad, la extensión espacial y la densidad. También pueden tener carga eléctrica (si están ionizados) y participar en las reacciones químicas (para conformar moléculas de tremenda sofistificación y complejidad). Toda la materia que vemos se basa en un patrón fundamental establecido hace mucho tiempo por esos átomos primordiales creados misteriosamente luego del Big Bang. Este patrón se basa en dos unidades fundamentales de carga eléctrica. El protón y el electrón, cada uno de ellos poseyendo masa y siendo capaz de hacer esas cosas que la materia es propensa a hacer.

Pero no toda la materia sigue exactamente al prototipo del hidrógeno. Una diferencia es que la más reciente generación de átomos posee en sus núcleos neutrones eléctricamente balanceados así como protones con carga positiva.

Pero aún más extraña es un tipo de materia (la materia oscura) que no interactúa de ninguna forma con la luz. Y más aún (simplemente para mantener simétricas las cosas); puede haber un tipo de energía (la energía del vacío) que no toma la forma de fotones, sino que actúa más bien como una “suave presión” que hace que el universo se expanda con un impulso no provisto originalmente por el Big Bang.

Pero volvamos a lo que podemos ver.

En relación con la luz, la materia puede ser opaca o transparente, puede absorberla o refractarla. La luz puede pasar a la materia, a través de la materia, reflejarse en ella, o ser absorbida por la materia. Cuando la luz pasa al interior de la materia, se enlentece, mientras que su frecuencia aumenta.

Cuando la luz se refleja, el camino que sigue cambia. Cuando la luz es absorbida, los electrones son estimulados potencialmente llevando a nuevas combinaciones moleculares. Pero lo que es más significativo, cuando la luz pasa a través de la materia (aún sin ser absorbida), los átomos y las moléculas hacen vibrar al continuo espacio-tiempo y, a causa de ésto, la luz puede bajar de frecuencia. Podemos ver, porque algo llamado “luz” interactúa con algo que llamamos “materia” en algo llamado “continuo espacio-tiempo”.

Además de describir los efectos gravitatorios de la materia sobre el espacio-tiempo, Einstein realizó una investigación extremadamente elegante sobre la influencia de la luz asociada con el efecto fotoeléctrico. Antes de Einstein, los físicos creían que la capacidad de la luz para afectar la materia se basaba primordialmente en su “intensidad”.

Pero el efecto fotoeléctrico demostró que la luz afectaba a los electrones también sobre la base de la frecuencia. De esa forma, la luz roja (sin importar su intensidad) no consigue arrancar a los electrones de los metales, mientras que aún niveles muy pequeños de luz violeta estimulan corrientes eléctricas mensurables. Claramente, la frecuencia en que vibra la luz presenta todo un poder en sí misma.

La investigación de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico contribuyó grandemente para lo que más tarde llegó a ser conocido como mecánica cuántica, puesto que los físicos aprendieron prontamente que los átomos son selectivos acerca de cuáles son las frecuencias de luz que absorberán. Mientras tanto, se descubrió también que los electrones eran la clave para toda la absorción cuántica, una clave relacionada con propiedades tales como las relaciones de los electrones unos con otros y con los núcleos atómicos.

De modo que ahora llegamos a nuestro segundo punto: la absorción y emisión selectiva de fotones por parte de los electrones no explica la amplitud continua de las frecuencias vistas cuando se examina la luz con nuestros instrumentos ^-3-.

Entonces, ¿qué puede explicarla?

Una respuesta: el principio de “descenso paso a paso” asociado con la refracción y la absorción de la luz.

El vidrio común (tal como el de las ventanas de nuestros hogares) es transparente a la luz visible. Sin embargo, el vidrio refleja la mayor parte de la luz infrarroja y absorbe la ultravioleta. Cuando la luz visible entra en una habitación, es absorbida por los muebles, las alfombras, etc. Estas cosas convierten parte de la luz en calor (o radiación infrarroja).

Esta radiación infrarroja es atrapada por el vidrio, y la habitación se caliente. Por otra parte, el vidrio en sí mismo es opaco a la luz ultravioleta. La luz emitida por el Sol en el ultravioleta es absorbida en su mayor parte por la atmósfera, aunque no toda; la luz ultravioleta ionizante se las arregla para pasar a través de ella. Esta luz ultravioleta es convertida en calor por el vidrio de la misma forma en los muebles absorben y re-irradian la luz visible.

¿Cómo se relaciona todo ésto con la presencia de luz visible en el universo?.

Dentro del Sol, los fotones de alta energía (luz invisible proveniente del perímetro del núcleo solar) irradian al manto solar debajo de la fotósfera. El manto convierte estos rayos en “calor” por absorción, pero esta “calor” en particular es de una frecuencia que está mucho más lejos de nuestra capacidad para ver. Entonces, el manto forma corrientes convectivas que trasladan el calor hacia afuera en dirección a la fotósfera mientras que a la vez emite fotones de menor energía (aunque todavía siguen siendo invisibles). Este “calor” y esta “luz” resultantes pasan a la fotósfera solar.

En la fotósfera (la esfera de luz visible) los átomos se “calientan” por convección y son estimulados por la refracción hasta vibrar con una frecuencia lo suficientemente baja como para emitir luz visible. Y éste es el principio que explica la luz visible emitida por las estrellas que son, por lejos, la más importante fuente de luz que se ve por todo el cosmos.

Así que, desde cierta perspectiva, podemos decir que el “índice de refracción” de la fotósfera solar es el medio por el cual la luz invisible es convertida en luz visible. En este caso, sin embargo, invocamos la idea de que el índice de refracción de la fotósfera es tan alto que los rayos de alta energía son desviados hasta el punto de la absorción. Cuando ésto ocurre se generan ondas de menor frecuencia que se irradian en una forma de calor perceptible al ojo humano y que no es simplemente cálida al tacto.

Y con toda esta comprensión bajo nuestros pies intelectuales, podemos ahora contestar nuestra pregunta. La luz que vemos hoy es la luz primordial de la creación. Pero es la luz que se materializó algunos cientos de miles de años después del Big Bang. Más tarde esta luz materializada se acumuló bajo la influencia de la gravedad en forma de grandes orbes condensados. Luego, estos orbes desarrollaron poderosos hornos alquímicos que des-materializaron la materia en luz invisible. Y más tarde, por medio de la refracción y de la absorción, la luz invisible fue convertida en visible para el ojo humano por medio de un “rito de pasaje” a través de esas enormes “lentes luminosas” que llamamos estrellas.

Notas

1 - El detalle que transpiran todas las cosas cosmológicas es probablemente el área principal de la investigación actual, y se necesitará de físicos (con sus “destructores de átomos”), de astrónomos (con sus telescopios), de matemáticos (con sus súper-computadoras y también sus lápices) y de cosmólogos (con su sutil comprensión de los primeros años del universo) para desentrañar todo el asunto.

2 - En cierto sentido es posible que la materia sea simplemente una distorsión del continuo espacio-tiempo, pero todavía estamos muy lejos de comprender al continuo con todas sus propiedades y comportamientos.

3 - El Sol y todas las fuentes luminosas muestran bandas oscuras de absorción y brillantes de emisión de frecuencias muy angostas. Estas son, por supuesto, las varias líneas de Fraunhofer relacionadas con las propiedades mecánico cuánticas relacionadas con los estados de transición de los electrones asociados con átomos y moléculas específicas.

Agradecemos a ImageShack por su repositorio gratuito de imágenes. – (HRB)

Enlace con el artículo original en inglés..

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Web Site: Universe Today
Artículo: “Where Does Visible Light Come From?”
Autor: Jeff Barbour
Fecha: Enero 25, 2005

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Para Astroseti.org: Heber Rizzo Baladán

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