Espectros y exoplanetas

A. González Arias

En la ciencia la palabra ‘espectro’ nada tiene que ver con apariciones, fantasmas, muertos-vivos o cualquier otra supuesta manifestación del ‘mas allá’.  Es un término que se usa para nombrar el conjunto de frecuencias de la radiación que emite -o absorbe- un cuerpo determinado.

Imagine el lector el tren de ondulaciones u ondas que se forma en la superficie del agua cuando se deja caer una piedra. La distancia entre las crestas sucesivas que aparecen es la longitud de onda;  el numero de veces que se  repite una cresta en una posición determinada, dividida entre el tiempo que tarda en hacerlo, es su frecuencia.  La longitud de onda y la frecuencia no son independientes; su producto es igual a la velocidad con que la onda se propaga en la superficie del agua.

La radiación electromagnética viaja en el espacio de manera que asemeja una de estas ondas; pero en ese caso las ondas se componen de campos eléctricos y magnéticos entrelazados de forma compleja, que viajan a la velocidad de la luz.  Las posibles frecuencias abarcan un intervalo muy amplio -el espectro electromagnético- que incluye desde las ondas de radio hasta la radiación gamma de alta energía, pasando por la infrarroja, visible, ultravioleta y los rayos X. 

Todos los cuerpos emiten radiaciones en mayor o menor grado, con frecuencias que dependen de muchos factores, entre ellos la temperatura.  De todas esas frecuencias, el ojo humano es capaz de detectar sólo un intervalo muy pequeño; el espectro visible.  Las radiaciones de una frecuencia específica crean en el ojo la sensación de los diversos colores;  la recepción conjunta de todas o gran parte de ellas produce la sensación de luz blanca.

También somos capaces de detectar algunas frecuencias no visibles.  Una hornilla eléctrica genera radiación infrarroja, aún cuando se vea oscura.  El ojo humano no ve el infrarrojo, pero si nos acercamos a la hornilla lo suficiente podemos sentir en la piel el calor generado por la radiación.

Espectroscopía y astronomía

Los espectrómetros son instrumentos  que permiten medir las diferentes frecuencias o componentes espectrales de la radiación.  Los primeros datan del siglo XVIII; consistían en un prisma de vidrio que separaba la luz en sus componentes, acoplado a un sistema de lentes para lograr un enfoque nítido del espectro.  Más adelante se añadió una placa fotográfica, con el fin de facilitar la comparación de los diferentes espectros. 

Empleando uno de estos primitivos espectrómetros para enfocar el sol, Joseph von Fraunhofer descubrió que el espectro solar contenía una serie de inexplicables líneas oscuras, que indicaban la absorción selectiva a determinadas frecuencias. Después se comprobó que las líneas estaban asociadas al tipo de átomos específicos presentes en el sol. Como patrones de comparación se utilizaron los espectros atómicos obtenidos en los laboratorios terrestres. Se comprobó que algunas líneas tenían su origen en la absorción de la luz en las capas externas de la atmósfera solar; otras se formaban al atravesar la atmósfera terrestre. Un dato de interés es que las líneas del Helio se detectaron en el Sol en 1878, mucho antes que en la Tierra. No fue hasta 1895 que se encontró Helio en nuestro planeta. 

El espectro visible del Sol (arriba) muestra las líneas A y B en el rojo, causadas por la absorción del oxígeno presente en la atmósfera terrestre.  Las restantes líneas son de origen solar: hidrógeno (C y F, esta última en el azul), el doblete amarillo del sodio (D), hierro (E y G) y calcio (G y H)en el extremo violeta.

El análisis espectral es la forma habitual de obtener información sobre las estrellas. No sólo se analiza el espectro visible;  también se examinan otras regiones (microondas, infrarrojo, rayos X). Se obtienen datos adicionales al medir la intensidad total de la radiación.  Combinando estas informaciones se llega a conocer la composición química del astro que emite la luz, su temperatura, el grado de ionización de las sustancias que lo forman y la existencia de posibles campos magnéticos y eléctricos.

El espectro también es capaz de brindar otro tipo de información, gracias al efecto Doppler-Fizeau. Éste consiste en que las líneas características de cada elemento se desplazan ligeramente de sus posiciones habituales cuando una estrella se acerca o se aleja de la Tierra. Las mediciones precisas de ese corrimiento permiten determinar el valor de la velocidad de la estrella respecto a nuestro planeta.

Los exoplanetas

Son todos aquellos que no pertenecen a nuestro sistema solar; giran alrededor de otras estrellas y se encuentran a distancias tan grandes que en su mayoría no son visibles, aún empleando los telescopios más potentes.  Hasta el momento sólo se han podido fotografiar unos 10, del tamaño de Júpiter o mayores, mediante el registro de su radiación infrarroja.

Sin embargo, aunque un exoplaneta no sea visible, su presencia se puede detectar por el movimiento de la estrella.  Si el planeta tiene masa suficiente, planeta y estrella rotan alrededor de un centro común –su centro de masa-. Esto hace que la posición de la estrella respecto a la Tierra varíe periódicamente.  Cuando gracias al efecto Doppler-Fizeau se detecta alguna oscilación reiterada en la velocidad de la estrella, se puede afirmar con certeza que hay un planeta orbitando a su alrededor. 

De los métodos conocidos para detectar exoplanetas no visibles éste es el más eficaz, pero no es el único. También se emplea la fotometría para medir los pequeñísimos cambios en la posición relativa de la estrella respecto a las que la rodean, o las variaciones de su intensidad luminosa cuando el planeta se interpone entre la estrella y el observador (lo que se conoce como tránsito astronómico).

Uno de los espectrómetros mas modernos del mundo, el HARPS (siglas en inglés del Buscador de Planetas de Alta Precisión por Velocidad Radial) se encuentra en el observatorio de La Silla, una montaña de 2400 m al borde del desierto de Atacama, en Chile. El observatorio posee 18 telescopios, y funciona desde 1970 bajo el auspicio de la organización europea ESO (European Southern Observatory).