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Espectroscopía y efecto Doppler

Espectroscopía y efecto Doppler

Hay dos fenómenos físicos o técnicas, llamémoslo como queramos, que por su importancia para entender muchas de las cuestiones que nos encontramos en astronomía son especialmente necesarios conocer. Son el efecto Doppler y la espectroscopia.


ESPECTROSCOPIA

Todos hemos visto el arco iris y sabemos que se produce al refractarse la luz del Sol en las gotas de agua suspendidas en la atmósfera, y que si se hace pasar un rayo de Sol a través de un prisma de vidrio, la luz se descompone en múltiples colores, formando lo que se denomina espectro.

Hoy sabemos que la luz es una onda electromagnética1 caracterizada por una longitud de onda y una frecuencia. Cada color tiene una longitud de onda que le es propia. La luz del Sol es blanca por estar formada por la superposición de todas las longitudes de onda de los colores visibles y, cuando pasa a través de las gotas de agua o de un prisma de vidrio, cada longitud de onda es refractada en un ángulo diferente lo que, visualmente, produce un espectro continuo de colores. Pero es obvio que esto no se supo hasta después de muchos estudios, teorías y experimentos. El estudio del espectro solar se inició entre finales del siglo XVII y principios del XVIII y estuvo evidentemente ligado a muchas especulaciones sobre la naturaleza de la luz. El mismo Newton, que se interesó por el tema e hizo importantes descubrimientos, tuvo que esforzarse en demostrar que los colores no eran introducidos por el prisma, sino que realmente eran los constituyentes de la luz blanca.

En 1854 el químico alemán Robert Bunsen, que dio su nombre al mechero empleado en los laboratorios, y el también alemán Gustav Kirchhoff empezaron a trabajar juntos. Descubrieron que todo elemento, cuando se calienta hasta la incandescencia y se refracta su luz en un espectro, tiene una “firma” característica. El sodio puro, por ejemplo, muestra una doble raya de color amarillo claro.

Gracias al mechero Bunsen, que produce una llama de temperatura muy elevada, ambos científicos comenzaron a clasificar los elementos según la firma espectral. En el curso de estos experimentos, observaron que la raya clara producida por una llama de alta temperatura se invertía –o sea, se convertía en una raya oscura- si la luz atravesaba la llama de baja temperatura del mismo elemento. Parecía que esta última llama absorbía la raya clara de alta temperatura. Desde comienzos del siglo XIX, los científicos venían observando que el espectro del Sol presentaba muchas rayas oscuras. Gracias a una intuición genial, Kirchhoff concluyó que eran las rayas de los elementos existentes en la atmósfera solar.

Mediante un instrumento especial que combinaba un espectroscopio y dos telescopios, Kirchhoff vio que el espectro solar contiene miles de rayas reunidas en diversos grupos. El instrumento le permitió comparar el espectro solar con los resultados de laboratorio con lo que consiguió identificar las rayas correspondientes al hierro, el magnesio, el cromo y el níquel. Otros científicos identificaron el resto de rayas con sus correspondientes elementos, salvo una que no fue posible emparejar con ningún elemento o substancia.

Espectro con la composición química del Sol. Es una franja coloreada, cruzada a intervalos por rayas oscuras. Los colores representan la luz emitida por la capa superficial del Sol o fotosfera. Las rayas son algunas longitudes de onda absorbidas por los gases de su atmósfera. Algunos elementos pueden presentar diversos niveles energéticos, por lo que aparecerán varias rayas. El espectro solar de la ilustración es muy esquemático. Si fuera completo, tendría miles de rayas y, a la misma escala, mediría varios metros de longitud.

 

Entonces el astrónomo británico Norman Lockyer concluyó que se trataba de un nuevo elemento desconocido, al que decidió llamar “helio”, palabra proveniente del griego y que significa Sol. Este fue el primer elemento descubierto antes fuera de la Tierra que en ella, pues aún se tardó otros veintisiete años en hallarlo en una clase de mineral de uranio llamado cleveita. Posteriormente se encontró helio en el gas natural.

Cada vez que una radiación emitida encuentra, durante su propagación en la misma atmósfera de la estrella, un vapor que contiene átomos del mismo elemento, es absorbida por uno de estos. Por consiguiente, en el espectro de aquella estrella que se obtendrá en la Tierra cada uno de los puestos correspondientes a las longitudes de onda interceptadas quedará falto de luz y en él aparecerá una raya oscura. Así, en lugar del espectro de emisión se obtendrá un espectro de absorción que contendrá en forma de rayas las huellas de todos los elementos químicos existentes en el astro.

La espectroscopia abrió nuevas vías para el estudio del Sol y de las estrellas, al proporcionar datos de gran valor, no sólo sobre su constitución química, sino además sobre la temperatura, densidad, magnetismo y dinámica de sus gases y elaborar teorías de precisión increíble sobre el nacimiento y evolución de las estrellas, las galaxias y del propio Universo.


EL EFECTO DOPPLER

El efecto Doppler es llamado así en reconocimiento al físico austriaco Christian Doppler (1803-1953). El efecto Doppler tiene lugar para todo tipo de ondas cuando el emisor y el receptor se mueven relativamente uno con respecto al otro.

Este efecto suele ilustrarse con el silbido de una locomotora o la sirena de una ambulancia que, primero está acercándose a nosotros para alejarse a continuación. La sirena de la ambulancia produce un sonido uniforme, de una frecuenta constante y si nosotros somos el conductor de la ambulancia, así lo percibiremos puesto que nos desplazamos junto a la fuente del sonido. Pero un peatón externo que, sin moverse de donde esté, oiga aproximarse a la ambulancia percibirá un sonido más agudo que el que percibe el conductor y, una vez sobrepasado por la ambulancia, al alejarse ésta lo que notará es que el sonido es más grave. Esto se debe a que, si bien el sonido emitido tiene una longitud de onda y frecuencias constantes, al estar en movimiento con respecto al observador, el frente de ondas se va “apretando” a medida que se aproxima a éste ya que cada nueva onda es producida un poco más cerca de lo que hubiese sido caso de estar inmóvil el emisor y, en consecuencia, el sonido se percibe como más agudo de lo que es en realidad. Al ir alejándose la ambulancia ocurre lo contrario, las ondas en vez de “apretarse” se van distanciando cada vez más a medida que la sirena se aleja y, por tanto el sonido se percibe como más grave.

Como la luz es una onda, también está sometida al efecto Doppler. Su efecto se aprecia muy bien si nos fijamos en cualquiera de sus rayas espectrales. Cuando una raya espectral no aparece en su posición sino desplazada, podemos sospechar que se debe a un movimiento de la fuente con respecto a nosotros. Si el objeto observado se aleja de nosotros la longitud de onda aumenta, manifestándose entonces un “desplazamiento al rojo”. Si el objeto se acerca la longitud de onda disminuye y entonces el desplazamiento es al azul. Además, de la cantidad de desplazamiento se puede deducir la velocidad de acercamiento o alejamiento y conocer la velocidad de cualquier astro.

Este fenómeno ha tenido utilísimas aplicaciones en astronomía. El efecto Doppler es reconocible en el hecho de que los patrones conocidos de las líneas de absorción no aparecen siempre coincidiendo con las frecuencias que se obtienen a partir del espectro de una fuente de luz estacionaria. Estudiando los espectros de luz de las estrellas y galaxias y midiendo los desplazamientos al rojo o al azul de las bandas de absorción se ha podido, por ejemplo, demostrar de una nueva forma la rotación del Sol. Las líneas espectrales que se originan a partir de los bordes de la corona solar y se dirigen a nosotros, se desplazan al azul. Las líneas del borde opuesto muestran un desplazamiento al rojo, ya que esta parte se aleja de nosotros. Este efecto puede usarse también para determinar la rotación de objetos sin detalles llamativos que faciliten observar su movimiento, como los anillos de Saturno. El efecto Doppler sirve también para detectar estrellas binarias, para medir la velocidad de giro de las estrellas y galaxias, o para detectar exoplanetas.

Pero tal vez el mayor descubrimiento astronómico realizado gracias al efecto Doppler, sea el realizado en los años 20 del siglo pasado por Edwin Hubble, de que las galaxias están alejándose todas unas de otras, a mayor velocidad aparente cuanto más distanciadas estén, mostrando un acusado desplazamiento al rojo en sus espectros2. Esto probó que el Universo está en expansión, evidencia que revolucionó toda la cosmología y llevó a la idea del Big Bang.

Otra aplicación más “terrenal” del efecto Doppler son los radares de carretera que miden la velocidad de los vehículos calculando el adelanto o retardo en el reflejo de las ondas que emiten y que son reflejadas por estos.

 


[1] Aunque también tiene características de partícula, la famosa dualidad onda-partícula, tema muy controvertido y de suma importancia en física cuántica.

[2] No el 100% de las galaxias están alejándose de nosotros. Algunas muestran un desplazamiento al azul en sus espectros, lo que significa que se están acercando. Es el caso de la galaxia de Andrómeda, la más próxima a nosotros, que dentro de “unos pocos” miles de millones de años acabará colisionando con la Vía Láctea.