sábado, 27 de agosto de 2011

Colores y temperatura

Ésta es una de las notas más visitadas de este blog. Si te gusta la astronomía, no dejes de seguir leyendo el resto de En el Cielo las Estrellas... ¡No te vas a arrepentir! Publico una nota nueva cada sábado. Podés subscribirte para recibirlas por email aquí a la derecha...

Cualquiera que haya mirado con atención las estrellas habrá notado que hay estrellas de distintos colores. Algunas son rojas, otras anaranjadas, otras azules, otras blancas. Esos colores, que a simple vista dejan alguna duda, se destacan bien al observar a través de un telescopio si uno desenfoca un poco la imagen. En esta foto aparentemente fallida que mostré hace algún tiempo se ve este efecto del desenfoque. ¿Reconocen la Cruz del Sur y el Puntero? Se ve claramente que la estrella de la "cabeza" de la Cruz es roja, y que la brillante del puntero es blanca, mientras que las demás son azules. Esos colores son reales; las estrellas realmente son de colores.

Fenómeno: hay estrellas rojas y estrellas azules. En la escuela nos enseñaron que el rojo es un color cálido y el azul es un color frío. Una estrella roja, ¿es más caliente que una azul?

Todas mis profesoras de plástica, desde la Señorita Murphy hasta la Gómez Cornet, me inculcaron esta cuestión de los colores cálidos y fríos. Inclusive pintábamos un círculo cromático, donde estaban prolijamente acomodados los colores primarios, los secundarios, y a veces algunos intermedios. El resultado era algo así (ojo, hace más de 25 años que no pintaba un círculo cromático, y por supuesto nunca lo había hecho con Powerpoint). Uno aprendía que los colores cálidos se destacan y avanzan, mientras que los fríos retroceden. Parecía algo bastante natural: el Sol es amarillo y es caliente, el fuego quema y es rojo, el pasto es verde y fresco, los lagos y el hielo son azules y fríos...

La teoría científica del color arranca con Newton (si no recuerdo mal fue el primero en pintar un círculo cromático), con sus experimentos de descomposición de la luz del Sol, el arco iris, etc. Por supuesto, el conocimiento acerca de la calidez de los colores y su valor en la pintura seguramente es muy, muy anterior. Hoy en día la teoría del color tiene más vericuetos que los que nos enseñaron las maestras, con vertientes tanto físicas como fisiológicas y psicológicas en las que no me pienso meter. (La que sabe de esto es mi amiga Inés, habría que invitarla a escribir un guest post del tema.) Por ejemplo, cualquiera que haya usado un programa de procesamiento de imágenes para retocar fotos o componer obras de arte habrá oído hablar de las distintas gamas o espacios de color. Se las suele representar como se ve en esta imagen tomada de Wikipedia. Son una especie de versión científica y cuantitativa del círculo cromático.

En todo caso, el color de la luz de una estrella efectivamente depende en gran medida de la temperatura de su superficie, tal como el de una brasa en el fueguito del asado. Y existe un enorme rango de temperaturas estelares, desde algunas apenas tibias hasta otras a decenas de miles de grados. Las estrellas —y cualquier otro objeto, para el caso— emiten luz en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético. Si uno mide la intensidad de luz que emite un cuerpo caliente en cada longitud de onda se obtiene una curva que se llama espectro de cuerpo negro (aunque no sea negro, lo de negro es por otras razones). Son como en la figura de aquí al lado, donde puse 5 espectros correspondientes a distintas temperaturas, superpuestos a un arcoiris que representa la región de la luz visible (400-700nm). Toda la región a la derecha del rojo (y un poco más allá) es infrarrojo.

Esas cinco curvas tienen una misma expresión matemática, cuya formulación y explicación requirió algunas de las mentes más brillantes de fines del siglo XIX: Stefan, Boltzman, Wien y, finalmente, Max Planck. La formulación de esta Ley de Planck, al terminar el siglo XIX (en la última reunión del siglo de la Asociación Física Alemana en diciembre de 1900), es uno de los momentos de gloria de la física, y marca el comienzo de la física moderna, la física cuántica. La Ley de Planck es la que está graficada ahí arriba: una curva con un pico. Tiene un solo máximo, indicando que casi toda la energía se emite en una región más o menos estrecha del espectro electromagnético. Las curvas que están dibujadas corresponden a temperaturas típicas estelares (3500K a 5500K [1]). Se ven de inmediato dos cosas. Primero, que cuando la temperatura es más alta, el pico es más alto. Esto dice que las estrellas más calientes emiten más energía electromagnética. Y, además, el pico se corre hacia la izquierda (hacia longitudes de onda cortas) al aumentar la temperatura.

Por ejemplo, una estrella cuya superficie está a 3500K tiene el máximo en el infrarrojo cercano (es la curva más bajita). Es decir, de los colores visibles, el más intenso es el rojo. Las estrellas "frías" se ven rojas. Es el caso de Betelgeuse, Antares, Aldebarán, o Gácrux (la estella roja en la "cabeza" de la Cruz). Las estrellas más frías de todas son enanas marrones con temperaturas de alrededor de 2500K. Nosotros mismos somos "cuerpos negros" a 310K. Nuestro máximo, en la curva de Planck, está en la zona infrarroja (por eso se pueden usar cámaras infrarrojas para "visión nocturna").

Una estrella más caliente, como el Sol o Alfa Centauri (la estrella blanca brillante en el Puntero de la Cruz), tiene el máximo en la región visible, de manera que mezcla de manera más o menos pareja los colores, y vemos a estas estrellas más o menos blancas, amarillentas o anaranjadas (según sean más o menos calientes). Las estrellas más calientes aún tienen el máximo todavía más a la izquierda, inclusive en el ultravioleta. Así que el máximo de intensidad visible está en la región violeta y azul del espectro, y las vemos azules (como las otras estrellas de la Cruz, o las Tres Marías, por ejemplo).

Así que, si hablamos de estrellas, azul es un color cálido y rojo es un color frío... exactamente al revés que en la pintura. Qué se le va a hacer.


[1] El símbolo K representa a la unidad de temperatura absoluta que usamos los físicos. Se llama Kelvin (no grado Kelvin sino simplemente Kelvin). El "tamaño" de un Kelvin es el mismo que el de un grado Celsius, pero la escala comienza en el cero absoluto, a -273,15°C. Así que son bastante fáciles de interpretar: para convertir de Kelvin a Celsius hay que restar 273 (coma quince, para los detallistas), y para convertir de Celsius a Kelvin hay que sumar.

Chiste nerd. Hace poco @NASA_Hubble twitteó: "¿Escucharon sobre el tipo que se congeló al cero absoluto? Está 0K." 

Postcriptum. Otra cosa con la que nos hemos acostumbrado a convivir, tanto en los programas de procesamiento de imágenes como en los monitores de computadora, y más especialmente con la difusión de las cámaras fotográficas digitales, es la temperatura del color. ¡Ajá! ¡Podemos poner en práctica algo que aprendimos en cuarto grado! Bueno: no. En cuanto uno empieza a jugar con la temperatura de color de una cámara o una imagen, en seguida descubre que al subir la temperatura la foto se hace más azul, y al bajarla se hace más roja. Como en la curva de Planck. Pero nuestro subconsciente repite: el rojo es cálido y el azul es frío...


Compartir:

7 comentarios:

  1. Excelente post! Soy fiel seguidor de tu blog, muy interesante, didáctico y claro para quienes no somos expertos en astronomía ;) Saludos!

    ResponderEliminar
  2. buenisimo!!! y lo bien que me vino justo en este momento. Es increible como se nota en la foto con desenfoque, gracias Guillermo

    ResponderEliminar
  3. ES SUPER TODO ESTO SOBRE LOS COLORES O NO??????????????????????????

    ResponderEliminar
  4. Hola Guillermo, una consulta, que es la radiacion de cuerpo negro ? aqui lo esbozas y no se si ya lo explicaste en algun articulo, lo lei muchas veces pero no termino de entenderlo al igual que muchas otra cosas como la entropia etc. y teniendo la posibilidad de que me lo pueda aclarar un Fisico no quiero dejar de hacerte la pregunta.

    Un abrazo
    Angel

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Ángel, la radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un objeto negro en equilibrio térmodinámico con su entorno. La expresión "cuerpo negro" puede resultar confusa, pero un cuerpo negro no es más que un objeto negro. El carbón vegetal y el negro de humo son buenas aproximaciones. La intensidad de la radiación en cada longitud de onda emitida tiene una forma precisa que depende exclusivamente de la temperatura del objeto. Este punto es crucial, y su descubrimiento, así como de la forma matemática del espectro, es como decía en la nota uno de los momentos de gloria de la Física del siglo XIX.

      El adjetivo "negro" se debe a que, a temperatura ambiente, un cuerpo negro se ve negro, ya que casi toda su radiación está en la parte infrarroja del espectro electromagnético, que es invisible a los ojos. Las estrellas son también "cuerpos negros" en el sentido de la física, aunque no sean negras. A sus temperaturas de miles de grados, en cambio, brillan intensamente en la parte visible de las ondas electromagnéticas. Lo mismo ocurre con el carbón vegetal cuando hacemos asado...

      La importancia de la radiación de cuerpo negro en la Fisica es doble. Por un lado, sirve como referencia de la radiación emitida por cualquier objeto, aunque no esté en equilibrio con su entorno. De hecho, la diferencia sirve para estudiar ese desequilibrio.

      Por otro lado, es una herramienta conceptual fundamental en la Física teórica. Max Planck, quien en 1900 desentrañó la expresión matemática que describe el espectro, descubrió que las vibraciones del campo electromagnético estaban cuantizadas en el interior del cuerpo negro, es decir no todas las frecuencias estaban permitidas. En 1905 Einstein propuso que el campo electromagnético mismo (fuera del cuerpo) estaba también cuantizado como proponía Planck, y que esto explicaba un misterio del fenómeno fotoeléctrico. Estos dos descubrimientos abrieron la puerta para la más profunda revolución en la Física desde el Renacimiento, o tal vez desde los Griegos, la Mecánica Cuántica, sobre la que se basa íntegramente nuestra civilización actual.

      Me hago una nota para escribir algo más en otro momento...

      Eliminar
  5. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

    ResponderEliminar
  6. Amigo, todo esto queda muy bien en estatico, pero el universo es dinamico, como afecta el efecto doppler al color??

    ResponderEliminar

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...