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8 de julio de 2008

Ambulancias y Universo. Efecto Doppler (II): expansión del Universo

Si vais a continuar leyendo lo mejor es que le echéis un vistazo antes a la primera parte de "¿Qué tienen que ver las ambulancias con el Universo?" y a la pequeña introducción al espectro electromagnético que publiqué hace poco. Si ya lo habéis hecho, vamos al asunto.

Lo primero es avisar de que con esto me meto en berenjenales muy gordos que no he estudiado de forma rigurosa, así que es muy posible que haya errores. De hecho, repasando a última hora para escribir esto, he encontrado varios errores en lo que iba a decir, aunque creo que ya no hay ninguno, más allá de simplificaciones y cosas por el estilo para facilitar la comprensión.

Las estrellas emiten luz debido a las reacciónes de fusión nuclear que se produce en ellas. Cuando se analiza esas radiaciones que nos llegan con un aparato llamado espectroscopio, devuelve como resultado el espectro electromagnético correspondiente a la onda luminosa que nos llega. Este espectro tiene unas líneas negras, pues cada elemento absorbe una determinada longitud de onda. Analizando esas líneas, llamadas líneas espectrales, podemos saber qué elementos componen la estrella. Y así se llegó a saber que las estrellas se componen principalmente de hidrógeno y helio, aunque hay más elementos presentes. El análisis espectral también nos da información sobre la temperatura y edad de las estrellas. Todo esto lo estudia la espectroscopia astronómica.

En ocasiones, al comparar con los espectros obtenidos en los laboratorios, o los obtenidos del Sol, nos damos cuenta de que esos patrones de líneas negras no aparecen en las frecuencias que deberían estar, sino que están desplazados hacia al rojo o hacia el azul. Se dice desplazamiento al rojo o desplazamiento al azul porque el rojo corresponde al límite de menor frecuencia del rango del visible, y el azul al de mayor frecuencia.

Desplazamiento al rojo de las líneas espectrales de un cúmulo de estrellas comparado con el del Sol. Fuente.

¿Por qué se producen estos desplazamientos? Pues por lo mismo que la sirena de una ambulancia suena más grave cuando se aleja que cuando se acerca, por el efecto Doppler. Si la estrella o galaxia se aleja, su patrón de líneas en el espectro está desplazado hacia el rojo, mientras que si se acerca, estará desplazado al azul. Así se ha descubierto por ejemplo que las galaxias más cercanas a nosotros se nos están acercando, como pasa con la Galaxia de Andrómeda.

Pero sin embargo, la mayoría de las galaxias presentan un desplazamiento al rojo que parece indicar que se alejan. Pero aún hay más. Parece que se alejan más rápido cuanto más lejos están de nosotros, y que se alejan en todas las direcciones, como si fuéramos el centro del Universo. Sin embargo, cuando hallamos la velocidad a la que se alejan, en ocasiones hay problemas, pues esta velocidad es mayor que la velocidad de la luz. Einstein, en su Teoría de la Relatividad Especial (hay dos Teorías de la Relatividad de Einstein, esta y la General, que habla de la gravedad) demostró que esto es imposible. Nada que tenga masa puede superar la velocidad de la luz, pues para hacerlo, se necesitaría una energía infinita. Entonces, ¿qué es lo que pasa? ¿cómo es posible que se alejen a una velocidad mayor que la luz? ¿están mal los cálculos o la teoría?

No hay nada mal en la teoría ni en los cálculos. Es la expansión del Universo. Casi todo se aleja de casi todo (como ya he dicho, las galaxias más cercanas a la nuestra se están acercando). Que las galaxias más lejanas parezcan alejarse a una velocidad mayor que la luz tampoco contradice la Teoría de la Relatividad Especial, pues lo que esta dice es que nada puede moverse a mayor velocidad que la de la luz respecto a nada. El truco está en que las galaxias no se mueven, sino que el espacio entre ellas se hace más grande. Puede parecer lo mismo, pero no lo es. La forma más fácil de imaginarlo es un globo. Al globo le pintáis unos puntos en su superficie. Estos puntos representan las galaxias, y el Universo completo es la goma del globo. Al inflar el globo, la distancia sobre las superficie del globo de los puntos se hace cada vez más grande, pero no se puede decir que los puntos se hayan movido, no lo han hecho. Esto es lo que se llama expansión métrica del Universo.

La idea del globo es bastante interesante porque nos ayuda a entender otras ideas. Por ejemplo, que cuanto más lejos están los puntos, más rápido crece la distancia entre ellos. Podemos ver también que todos los puntos que pongamos se alejan de todos, sin que ninguno de ellos sea el centro de nuestro universo globo. Esto significa que, pese a que todo se aleje de nosotros, no somos el centro del Universo, aunque lo parezca. De hecho, si fuéramos a otro punto del Universo lo más distante posible, también nos parecería que ese es el centro del Universo.

Por ello el hablar de efecto Doppler es abuso del lenguaje en cuanto a la expansión del Universo. Para que exista efecto Doppler, el emisor de ondas debe estar moviéndose, tener una velocidad. Las galaxias no se están moviendo, no tienen velocidad. La velocidad de la que he hablado antes, que puede ser mayor que la de la luz, es la velocidad a la que debería moverse algo para tener un efecto Doppler de esa misma magnitud. Lo más correcto es hablar de desplazamiento al rojo cosmológico.

Hay otras razones por las cuales se produce un desplazamiento al rojo en la luz que nos llega de las estrellas, como pueda ser efectos gravitatorios, pero eso ahora mismo no nos interesa. Lo que más claro debe quedar es que la expansión del Universo no significa que las galaxias se estén moviendo para alejarse unas de otras, sino que el espacio entre ellas se hace más grande. Esto es una diferencia muy importante e indispensable para explicar todos los fenómenos que se ven.
3 de julio de 2008

Radiaciones electromagnéticas

Antes de publicar la segunda parte de ¿Qué tienen que ver las ambulancias con el universo?, escribo esto para presentar algunos conceptos necesarios para entender la siguiente parte y de paso hablaros un poco de las radiaciones electromagnéticas que tanto asustan a algunas personas. En un principio iba a explicarlos en la propia entrada, pero habría quedado muy larga.

Hablamos también en la anterior entrada de que el sonido necesita materia para propagarse. Sin embargo, en el lugar donde están las estrellas y lsa galaxias, el espacio, como también dijimos, no hay materia, entonces ¿qué ondas se propagan por el espacio? pues las ondas electromagnéticas, que no necesitan materia para propagarse.

Especto electromagnético (clic para agrandar)

Esta imagen corresponde al llamado espectro electromagnético, que es la prepresentación de las ondas electromagnéticas según su frecuencia (y su longitud de onda, pues están muy relacionadas, como recordaréis). A cada rango de frecuencias se le da un nombre, muchos de ellos conocidos, como microondas, ondas de radio o rayos X. Pero hay un rango de frecuencias que nos resulta particularmente interesante, que es el que va de 384 a 789 terahercios (o, en longitudes de onda, de 78 a 38 picometros). Es el de la luz que podemos ver los seres humanos (otros seres vivos, como las abejas, ven en otros rangos), la luz visible.

Se suele hablar, sobre todo los ecologistas, de que las antenas de telefonía móvil (y últimamente el WiFi) pueden causar problemas de salud (daños en el ADN, cáncer) debido a la radiación electromagnética (las ondas electromagnéticas), pues bien, esto es falso, y usando el sentido común, sin necesidad de hacer ningún cálculo, lo podéis entender. Como veis, la luz que vemos, los rayos X y las ondas que captamos para escuchar la radio son fundamentalmente lo mismo, ondas electromagnéticas. La diferencia es su energía, que viene dada por la frecuencia: a mayor frecuencia, mayor energía. Cuanta más energía, más "daño" puede hacer la radiación. Absolutamente todas las ondas de vuestro entorno provenientes de electrodomésticos o aparatos electrónicos (teléfonos, televisión, radio, wi-fi, incluso radares de barcos y submarinos) se encuentran entre 10 kilohercios y 300 gigahercios. Es decir, todos por debajo de la luz visible en frecuencia. Menos frecuencia implica menos energía y por tanto menos "daño". Que yo sepa, encender una bombilla no le ha producido cáncer a nadie, así que tranquilos que las antenas de móviles tampoco.

Estas son las radiaciones no ionizantes, que lo único que pueden causar es un aumento de la temperatura (de hecho, la radiación es una de las tres formas en que se transmite el calor, las otras son convección y conducción). Sin embargo, por encima del rango de la luz visible (mayor frecuencia), las ondas pueden tener la suficiente energía para alterar la estructura de los átomos arrancándoles los electrones que orbitan alrededor del núcleo, lo que puede provocar problemas biológicos. A este proceso se le llama ionización, siendo estas las radiaciones ionizantes. Es por ello que se toman tantas precauciones cuando nos hacemos una radiografía (que usa rayos X o incluso gamma). Por supuesto, podéis estar tranquilos, no hay riesgo a menos que tengamos una exposición prolongada.

Por supuesto existen estudios que niegan la relación de las radiaciones no ionizantes con el cáncer. Algunos de los organismos que han hecho estos estudios son la Organización Mundial de la Salud, el Centro Superior de Investigaciones Científicas, la Asociación Española Contra el Cáncer o la Comisión Europea, entre otros. En los estudios cuya tesis dice que sí hay relación se han encontrado problemas metodológicos, como variables que no se han tenido en cuenta, o falseo de datos (inglés).

Volviendo al rango de luz visible, los colores vienen determinados por la frecuencia de la onda electromagnética, siendo la luz "blanca" una mezcla de todas las frecuencias. Vemos los colores porque el material al incidirle los rayos de luz, absorbe las radiaciones que tienen una frecuencia determinada, devolviendo las radiaciones con frecuencias correspondientes al color que vemos. El blanco no absorbe ninguna, sino que devuelve todas, mientras que el negro absorbe todas y no devuelve ninguna. Es por ello que la ropa blanca es más fresquita que la negra, pues devuelve gran parte de la radiación que recibe, mientras que la negra lo absorbe (y por tanto se calienta).

Esto último, al menos para mí, demuestra que nuestra imaginación sí tiene límites, pese a lo que se suela decir. Que el negro "absorba" la luz visible no significa que absorba también otras frecuencias fuera de lo que vemos, de hecho no lo hace. Si estuvieramos diseñados para percibir un rango mayor de frecuencias con la vista, veríamos que la mayoría de objetos negros no son realmente negros, sino de colores que ahora no vemos. ¿vosotros os podéis imaginar esos colores? Yo desde luego no. Pero bueno, esto son divagaciones que no tienen que ver con el tema que nos ocupa, no hagáis mucho caso.

Lo que tenéis que tener muy claro antes de enfrentaros a la segunda parte de las ambulancias y el universo es que los colores vienen determinados por la frecuencia de una onda electromagnética. El efecto Doppler afectaba a la frecuencia de las ondas, por tanto el efecto Doppler en la luz afecta a los colores que percibimos.

En la próxima entrada (ahora de verdad) os explicaré qué papel juega este efecto en las estrellas y galaxias (en el universo).