Cómo el espectro electromagnético nos abrió los ojos al universo

Telescopios en el Square Kilometre Array.

 Nuestra comprensión del espectro electromagnético se remonta a Isaac Newton, pero los astrónomos siguen encontrando nuevas formas de utilizarlo. La astrofísica Emma Chapman explora cuánto pueden revelarnos estas ondas invisibles sobre el cosmos y si podrían mostrarnos que no estamos solos.

Mi primer encuentro con la luz invisible ocurrió en mi infancia, y me pareció magia. Las radios llenaban cada habitación de mi casa: la cocina, los dormitorios, incluso el pasillo. Giraba lentamente el dial de los aparatos antiguos, escuchando cómo la música y las voces emergían de la estática antes de desvanecerse de nuevo mientras navegaba por las ondas de radio. Mucho antes de comprender que estaba sintonizando una parte del espectro electromagnético, sentí la maravilla de percibir algo que mis ojos no podían ver.

Los ojos humanos evolucionaron para detectar solo una banda estrecha de luz —suficiente para orientarse en el paisaje y reconocer el peligro—, pero el universo brilla en un vasto espectro que abarca desde los rayos gamma hasta las ondas de radio. Las diferentes longitudes de onda de la luz interactúan con la materia de maneras distintas, lo que significa que cada una revela una faceta diferente del mundo y del universo que nos rodea. Nos encontramos con estas propiedades constantemente en la vida cotidiana. Las microondas, por ejemplo, tienen la energía justa para excitar las moléculas de agua, perfectas para la noble aplicación de recalentar las sobras de la cena. Los rayos X, por su parte, tienen la energía suficiente para atravesar los tejidos blandos, pero son absorbidos por los huesos, lo que permite a los médicos obtener imágenes de nuestros esqueletos.

La luz de radio es la luz de mayor longitud de onda y menor energía en el espectro electromagnético , capaz de viajar enormes distancias prácticamente sin obstáculos y de atravesar la atmósfera terrestre con relativa facilidad. Esto convierte a las ondas de radio en un poderoso medio de comunicación en la Tierra, como pude comprobar de niño, pero también son un mensajero ideal desde los confines del espacio y el tiempo. Años después, cuando mi interés se volcó hacia la cosmología, me pareció apropiado terminar utilizando radiotelescopios para estudiar las primeras estrellas y galaxias del universo.

El espectro electromagnético, tal como lo conocemos hoy, es el resultado de siglos de descubrimientos científicos, a medida que los investigadores fueron descubriendo que el universo se extendía mucho más allá de los límites de la visión humana. Todo comenzó con el arcoíris en 1665, cuando Isaac Newton utilizó prismas de vidrio para demostrar que la luz blanca podía descomponerse en un espectro de colores, desde el rojo hasta el violeta. Hacia 1800, el astrónomo William Herschel descubrió la luz infrarroja, también con un prisma, al medir la temperatura de diferentes colores de luz y observar que su termómetro marcaba un valor más alto justo después del extremo rojo del espectro. A finales del siglo XIX, los avances en electromagnetismo y tecnología de laboratorio revelaron las ondas de radio, las microondas, los rayos X y los rayos gamma, completando así nuestra visión moderna del espectro.

Lo invisible se hace visible

La astronomía óptica es tan antigua como la civilización misma, nacida del simple hecho de que llegamos a este mundo ya equipados para ver la luz del sol o de las estrellas. Otras regiones del espectro requieren herramientas adicionales: antenas parabólicas para ondas de radio y microondas, y detectores especializados para rayos X y luz infrarroja. Podemos considerar cada una de estas subcategorías como lenguajes donde, para comprender el universo, necesitamos la capacidad de traducir a la luz visible que nuestros ojos comprenden de forma más natural o, en el caso de las radios domésticas, los sonidos que nuestros oídos pueden apreciar. Solo entonces somos recompensados ​​con un cosmos completo de mensajes invisibles e historias ocultas.

Necesitamos todo el espectro para iluminar completamente el cosmos. La luz ultravioleta, por ejemplo, permite rastrear las columnas de agua que brotan de la superficie de Europa, la más pequeña de las lunas galileanas de Júpiter . Los intensos campos magnéticos que envuelven al planeta gigante interactúan con la atmósfera de la luna en órbita, generando auroras que brillan intensamente en longitudes de onda ultravioleta. A medida que el vapor de agua de las columnas asciende a la atmósfera, altera temporalmente el brillo de la aurora. Observar este fenómeno permite a los astrónomos inferir la presencia y composición del material que brota del océano potencialmente habitable bajo la superficie helada de Europa.

Las imágenes compuestas muestran una presunta columna de material que erupcionó con dos años de diferencia desde la misma ubicación en Europa, la luna helada de Júpiter.

Y para el infrarrojo, tenemos el Telescopio Espacial James Webb (JWST) , situado a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, protegido del sol por un parasol del tamaño de una cancha de tenis. Con la visión más nítida y fría del universo jamás lograda, el JWST ha estado reescribiendo lo que creíamos saber sobre cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias.

A medida que el universo se expande, la luz de las primeras galaxias se desplaza hacia longitudes de onda infrarrojas más largas —se mueve hacia el extremo rojo del espectro, por lo que decimos que se produce un desplazamiento al rojo—, que el JWST captura con precisión. Con una simple traducción, etiquetando las longitudes de onda infrarrojas con colores ópticos como si estuviéramos pintando por números, vemos galaxias tal como eran hace tan solo unos cientos de millones de años después del Big Bang. Fascinante, sin duda, pero hay un problema. Muchas de estas galaxias parecen más maduras que jóvenes; son simplemente demasiado grandes para explicarse mediante la formación estelar y la evolución galáctica tal como creíamos entenderlas. ¿Cómo crecieron tan rápido?

Para responder a esa pregunta, los astrónomos están recopilando luz antigua que se ha desplazado a longitudes de onda aún mayores: ondas de radio que han viajado más lejos y durante más tiempo. Con sede en el Observatorio Jodrell Bank en el Reino Unido, el Square Kilometre Array (SKA) constará en parte de más de 100.000 antenas repartidas por el interior de Australia Occidental, formando un enorme radiotelescopio capaz de captar los más débiles susurros de apenas unas decenas de millones de años después del Big Bang. Al detectar débiles señales del gas de hidrógeno que giraba alrededor del universo primigenio, el SKA pretende descifrar mensajes de la primera civilización de estrellas y agujeros negros incipientes . Sin embargo, esta es solo una de las aplicaciones científicas del SKA. Observará multitud de fenómenos celestes, cartografiando, por ejemplo, los brazos más lejanos de la Vía Láctea y buscando indicios de inteligencia extraterrestre.

La búsqueda de vida extraterrestre (SETI) es un área de investigación que me fascina particularmente, porque demuestra de forma brillante la naturaleza complementaria de las observaciones en diferentes longitudes de onda. Con telescopios ópticos como el Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS), estamos catalogando miles de planetas fuera de nuestro sistema solar, midiendo la infinitesimal disminución de brillo que observamos cuando un planeta pasa frente a la estrella que orbita. Luego, con telescopios infrarrojos como el JWST, podemos medir la composición de la atmósfera exoplanetaria y marcarla como potencialmente habitable. Finalmente, con radiotelescopios, podemos seleccionar los planetas con mayor potencial para albergar vida y escuchar mensajes extraterrestres, ya sea un saludo intencional o la fuga involuntaria de comunicaciones de radio, como las transmisiones de televisión. Después de todo, las leyes de la física se aplican tanto a los exoplanetas como a la Tierra, lo que convierte a la radio en el medio de comunicación más obvio. Quizás algún día, mientras navegamos por las ondas de radio de otros sistemas estelares, una voz completamente alienígena emerja de la estática.

Nacemos dominando un único lenguaje: el de la luz. Sin embargo, el universo es profundamente multilingüe. El espectro electromagnético es una piedra Rosetta que permite a nuestros telescopios descifrar historias invisibles escritas en lenguajes ininteligibles. Al leerlas en conjunto, estas historias nos permiten conectar con un universo mucho más rico que el que nuestros ojos pueden percibir.