El pasado distante

Creemos entender que las fluctuaciones que vemos en el fondo cósmico de microondas, con puntos más fríos y más calientes en el plasma que llenaba el universo apenas 380 mil años después del Big Bang, dieron lugar a los primeros cúmulos de galaxias, que siguen existiendo 13 mil millones de años después. Esas primeras galaxias son tenues y su luz está extremadamente corrida hacia las longitudes de onda largas por la expansión del universo, por ser tan antiguas. Nunca habíamos podido estudiarlas, porque se necesita un telescopio enorme e infrarrojo. Y precisamente para hacerlo se construyó el telescopio espacial Webb, como hemos contado. Un paper reciente muestra imágenes tomadas como parte de un survey llamado GLIMPSE, uno de los tantos que están explorando esas primeras luces. GLIMPSE fue diseñado para hacer observaciones muy largas, a tavés de varios filtros, valiéndose además del efecto amplificador natural que producen grandes cúmulos de galaxias más cercanos, que actúan como lentes gravitacionales enfocando la luz de galaxias aún más lejanas. Se pretende alcanzar la magnitud 30.6 en varias bandas infrarrojas, que equivale a un brillo 10 mil millones de veces menor que la estrella más tenue visible desde un sitio oscuro. A los especialistas les interesan unos mínimos puntitos rojos, visibles en la siguiente imagen, pero los aficionados quedamos boquiabiertos con la foto entera:

Esta es la región central del cúmulo de galaxias Abell S1063, un súper mega monstruo galáctico que se encuentra a 4500 millones de años luz de nosotros. Todas las galaxias blancuzcas que vemos en esta imagen forman parte de Abell S1063, incluso la gigante del centro, cuya luz parece englobar a muchas de las otras. Este cúmulo es el que funciona como lente gravitacional, ayudando a amplificar la luz de galaxias más distantes. Como es una lente natural, la imagen de estas galaxias lejanas resulta distorsionada, y las vemos formando una multitud de arcos rojizos, bien ordenaditas en torno al cúmulo de galaxias blancas. Este campo ya había sido estudiado por el telescopio Hubble, como parte del programa Frontiers. Hoy las imágenes del Hubble, que nos deslumbraban hace 10 años, nos parecen pobretonas; fíjense cuánta menos sensibilidad tiene:

Tuve que achicar la imagen del Webb para insertarla en esta página, pero voy a mostrar algunos recortes para que se vea la riqueza del campo de galaxias que se ve detrás del cúmulo. Vean qué gran distorsión presentan estas galaxias rojas (sus formas verdaderas no deben ser muy distintas de las blanquitas): 

Este es otro recorte, donde vemos un montón de galaxias del cúmulo y las distorsionadas detrás: 

Este es otro. Se puede ver que algunas de las galaxias rojas tienen mucha estructura, con globulitos y cositas, que son regiones de activa formación estelar:

Pero lo que realmente les interesa a los astrónomos de GLIMPSE es la multitud de puntitos aislados, que salpican todo el fondo en estas imágenes. Esas son las galaxias realmente lejanas, las que están en la infancia del universo. Las imágenes que estudian ellos son mucho menos glamorosas:

Esta imagen no es tan llamativa como la "foto" de Abell S1063, pero es el tipo de análisis que ellos pretenden hacer. Los cuadraditos de arriba son imágenes de algunas de las galaxias lejanas, esos puntitos que salpican el fondo de la imagen completa. El gráfico de abajo muestra la magnitud a distintas longitudes de onda (¡fíjense que son magnitudes del orden de 31!). Las magnitudes disminuyen hacia la izquierda (con unos picos superpuestos, que no importan). La curva roja (¿o es marrón?) se interrumpe bruscamente un poco a la izquierda del medio, y la violeta llega bastante más a la izquierda, bajando suavemente. Ese comportamiento es el que permite calcular el valor del parámetro z que muestran allí, y que es enrojecimiento de la luz: la galaxia "marrón" tiene z = 16.4. La luz que vemos de ella está estirada un factor de 15 veces con respecto a cuando se la emitió: así el ultravioleta queda convertido en infrarrojo. De acuerdo al modelo de expansión del universo, esa galaxia se encuentra a 35 mil millones de años luz de nosotros. Esos fotones llevan viajando 13500 millones de años; se emitieron cuando el universo tenía poco más de 200 millones de años de edad, y era muy distinto que ahora. La galaxia "violeta", que tiene una magnitud similar, en cambio, es una "colada", ya que su z = 4.8 delata que el universo ya tenía más de mil millones de años de edad cuando emitió su luz. 

A medida que se acumulen observaciones de estas galaxias, estas curvas de luz permitirán calcular a qué ritmo estaban formando estrellas, cuánto polvo tenían ya en el espacio entre ellas, cuántas hay de cada tipo, cómo se organizaban en el espacio, etc. GLIMPSE y otros surveys permitirán entender cómo surgieron las primeras galaxias y cómo se organizaron, para llegar a ser como las que vemos a nuestro alrededor, donde hay planetas capaces de albergar vida. 

 

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El paper es: Kokorev et al., A Glimpse of the New Redshift Frontier through AS1063, ApJ Lett 983:L22 (2025). Es open access, pero bastante técnico; lo mejor es la foto, que en el paper ni siquiera aparece. De allí tomé la ultima imagen. La foto a todo color es del sitio de ESA, y es de NASA/ESA/JWST, y la del Hubble es de NASA/ESA/Hubble.

La explosión de Orión

Hace unos meses se publicó una notable imagen de la región central de la Nebulosa de Orión, vista por el telescopio Webb. Es una imagen familiar, pero también distinta. Webb, usando el poder de la radiación infrarroja, es capaz de ver dentro del polvo que llena la nebulosa, y también ver la filigrana de polvo que delata el pasado caótico y dinámico de esta enorme región de formación estelar. Hice una combinación de las dos bandas infrarrojas, usando las longitudes de onda más largas como capa de luminosidad sobre la del infrarrojo cercano. Es una imagen gigantesca, 100 veces más grande que la que voy a mostrar acá:

Cerca del centro vemos el Trapecio, y lo vemos como lo que en realidad es y raramente vemos: un cúmulo muy rico de muchas estrellas jóvenes. La gruesa franja diagonal es el frente de ionización que ya hemos comentado en otra oportunidad. Pero lo más notable, y que me llamó la atención inmediatamente porque no la conocía, es una estructura en forma de explosión, un poco arriba y a la derecha del Trapecio:

Los dedos de la explosión parecen surgir de una estrella excepcionalmente brillante, que en el infrarrojo lejano que el Webb puede ver, supera a las luminarias del Trapecio, vean:

Esa fuente infrarroja tiene la luminosidad de unos 20 mil soles, y se llama objeto BN (Becklin-Neugebauer). Es invisible en luz visible por estar embebida en una parte densa de la nebulosidad, y parece ser una estrella joven expulsada del Trapecio hace unos 4000 años, por interacciones gravitatorias en su componente más grande y brillante, Theta 1 Orionis C, una gigantesca estrella de 40 masas solares. Hay junto a él otro objeto muy oscurecido, sólo visible en radio, llamado Source I (parece ser una estrella de 22 masas solares), que habría sido expulsado por BN hace apenas 500 años. Son todas estrellas enormes las que hay en esta región, y todas ellas parecen haber contribuído al intenso flujo de gas que vemos en infrarrojo como una explosión, llamada región KL (Kleinmann-Low). Así la ve Alma en radio de longitud de onda milimétrica, un poco más allá del infrarrojo lejano de Webb:

Toda la región está siendo intensamente estudiada en los últimos años, gracias a los nuevos instrumentos que ven más allá del rojo, y encontré muchos trabajos publicados sobre este fenómeno poco conocido en el medio de una región tan familiar del cielo, tan visitada por aficionados y astrofotógrafos. 

Los dedos, en la imagen de Webb, se ven magníficos, así que pongo una imagen en más resolución para mostrar un detalle (imagen rotada respecto de la original):

Estos dedos son el resultado de una explosión descomunal, con la energía de un milésimo de supernova. Sabemos mucho de explosiones al final de la vida de las estrellas, pero prácticamente nada de las que, como ésta, ocurren durante su nacimiento. Se trata de un fenómeno poco entendido que ocurre durante la formación estelar, en particular en regiones de nacimiento de muchas estrellas simultáneamente. Los dedos son ondas de choque en el medio interestelar, pero incluso su propia dinámica sólo recientemente ha sido modelada físicamente, gracias a los avances de instrumentación que permiten la visualización detallada. Todavía no vi trabajos detallados con los resultados del Webb, pero seguramente será una contribución importante a la comprensión del fenómeno.

Para comparación, hice un recorte de la misma región vista por el telescopio Hubble en luz visible. Vean qué pocas estrellas se ven, a diferencia de la imagen del Webb, y nada de la explosión KL.

 

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Las imágenes del Webb son de NASA/ESA/CSA. La imagen de radio es de ALMA, similar a la del paper: Bally et al., The ALMA view of the OMC1 explosion in Orion, arXiv:1701.01906v3 (pero la descargué de Wikipedia porque estaba en colores).

Las fotos del Webb

Is this the real life?
Is this just fantasy?
Freddie Mercury, Bohemian Raphsody

El telescopio Webb está diseñado para observar el universo en radiación infrarroja, que nosotros no podemos ver. ¿Qué nos muestran entonces las fotos que aparecen regularmente en la página oficial y en otros medios?

Es algo que siempre me preguntan: ¿son reales esas fotos, esos colores? ¿es lo que veríamos con nuestro ojos si estuviéramos ahí? La respuesta es que, tanto en el caso del Webb como en el de los telescopios que observan en el rango visible, pero también en las fotos que hacés con el celu, las imágenes son reconstrucciones matemáticas de la radiación electromagnética que llega al dispositivo detector.

En el caso del Webb, la reconstrucción matemática es complicadísima. Para empezar, como dijimos, el Webb ve en el infrarrojo. No hay nada misterioso en esto. Vale la pena recordar que hay 7 nombres para la radiación electromagnética (todas ellas familiares en la vida cotidiana): rayos gamma, rayos X, radiación ultravioleta, luz, radiación infrarroja, microondas y radio. Pero, aunque tienen distintos nombres (por razones históricas, o de instrumentación), no son fenómenos distintos. Todas son lo mismo: radiación electromagnética, es decir, vibraciones del campo eléctromagnético que llena el universo. Son luz; luz que no podemos ver con nuestros ojos, pero luz al fin. El Webb puede "ver" desde el color naranja hasta la mitad de la franja que llamamos infrarrojo. Para hacer "fotos", usa varias cámaras que hacen exposiciones a través de filtros que seleccionan una banda más o menos angosta de todo el espectro que llega al instrumento. 

La imagen así adquirida es una colección de números, suficiente para casi cualquier análisis científico. Pero para hacer imágenes que sean visualmente atractivas (para el público, pero también para los astrónomos), hay que procesarlas adicionalmente. Como sabe cualquier astrónomo aficionado que se dedique a la fotografía, las fotos astronómicas son inicialmente muy oscuras. El cielo nocturno es oscuro, después de todo. Así que lo primero que hace la persona que las procesa es seleccionar un rango de tonos y "estirarlo" para que aparezcan los detalles:

En el ejemplo la imagen estirada se ve gris, monocromática, porque corresponde a una única longitud de onda: 90 nm (nanómetros, en realidad, un rango estrecho alrededor de los 90 nm). Para construir una imagen "visible", RGB, se le asigna un color. Como 90 nm es un infrarrojo de onda relativamente corta, apenas más acá del rojo, se le asigna un color visible de onda corta, en este caso el azul. Se llaman "colores representativos". Todo esto se hace usando aplicaciones que procesan matemáticamente los números que representan las imágenes, similares a Photoshop o Gimp.

Después se hace lo mismo con algunas más de las imágenes monocromáticas que se hayan tomado para la exposición. Seguramente, para hacer una imagen visualmente atractiva, no se usen todas las exposiciones que se tomaron para fines científicos. Por ejemplo:

En general se conserva la relación entre las longitudes de onda, como en el ejemplo: a la exposición tomada a través del filtro de 200 nm se le asignó el verde, a la 335 nm el naranja, y a la de 444 nm el rojo. Finalmente se combinan todas ellas en una imagen a todo color:

¿Es lo que veríamos con nuestros ojos si estuviéramos allí? No, porque nuestros ojos no pueden ver el infrarrojo. ¿Es lo que percibiríamos con la palma de la mano, que puede "sentir" el infrarrojo? Claro que no, con la palma de la mano no tenemos la resolución suficiente como para percibir el infrarrojo en forma de imagen. ¿Pero, es real? Claro que sí, es real, tan real como una foto que hacés con el celu.

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La foto del principio, de la Nebulosa Tarántula y el cúmulo estelar RMC 136, es de NASA/ESA/CSA/STScI/JWST. Las imágenes de los filtros las tomé de alguno de los manuales de operación del JWST. Las imágenes del procesmiento son de Jen Christiansen (graphic); NASA, ESA, CSA, STScI and Webb ERO Production Team (image source) (de una nota en Scientific American).

Los Pilares del Webb

En julio publiqué un comentario sobre los famosos Pilares de la Creación, la emblemática región de formación estelar en la constelación del Águila (fotografiada por el telescopio Hubble en los 90s) y su aspecto en una foto mía hecha con poca paciencia y un teleobjetivo común y corriente. El telescopio Webb publicó su propia versión, en infrarrojo cercano, y poco después otra, en infrarrojo medio. Las nuevas fotos son espectaculares, hermosas, e ilustran las diferencias entre los dos emblemáticos telescopios espaciales. Así que se han ganado un lugar aquí. Hice un montaje de las cuatro fotos:

Pueden cliquearla para verla un poco más grande, pero las imágenes están enormemente reducidas para ponerlas aquí. Recomiendo fuertemente a los interesados ir a explorar las de máxima resolución originales: aquí, aquí, aquí y aquí.

Es notable cómo cuatro imágenes del mismo objeto pueden ser dramáticamente diferentes. La foto en el espectro visible del Hubble es la más famosa. No es una imagen de espectro completo, sino que está tomada con filtros de banda angosta (dos rojos parecidos y uno verde), reconstruyendo una imagen en "colores representativos" usando la famosa paleta del Hubble. A su lado vemos una imagen compuesta con el pedacito del infrarrojo que alcanza a ver el Hubble (creo que son 800 nm, apenas más acá del rojo). De los pilares quedan unos fantasmas, porque la radiación infrarroja puede atravesar el polvo que los forma, y vemos tanto dentro de ellos como las muchísimas estrellas del fondo, que en la imagen de luz visible ni siquiera se adivinan.

Las dos imágenes del Webb son infrarrojas. La del instrumento NIRCam es de la banda de infrarrojo cercano, y hay cierta similitud con la infrarroja del Hubble. Pero hay también grandes diferencias. La principal es la resolución, que arriba no se aprecia del todo, así que he aquí un detalle:

A la mayor resolución del Webb las estrellas se ven muchísimo mejor. Pero, además, la imagen obtenida a partir de varias bandas infrarrojas permite observar muchas más características del material de la nebulosa. ¿Qué es eso que estamos viendo? Resulta que en las etapas finales de la existencia de las estrellas gigantes hay abundantes elementos pesados en sus capas exteriores. Cosas como sílice, aluminio, magnesio, oxígeno, carbono, etc. En sus intensos vientos estelares, y también cuando terminan explotando como supernovas, se forman silicatos (o sea, minerales como los de las rocas terrestres) y compuestos complejos de carbono, hidrógeno y oxígeno (o sea, hollín, benceno, etc), en forma de pequeñas partículas, micrométricas. En la Tierra lo llamaríamos humo, pero los astrónomos lo llaman "polvo". Este polvo, junto con el abundante gas hidrógeno de la galaxia, llena el espacio entre las estrellas, y es el material al partir del cual se forma la siguiente generación de estrellas. Esto ocurrió hace pocos millones de años en la nebulosa del Águila, donde un cúmulo de gigantescas estrellas recién nacidas está literalmente erosionando, con radiación ultravioleta, la nube de polvo de la cual nacieron. Igual que en la Tierra, algunas partes resisten la erosión mejor que otras, y se forman estas formas caprichosas, en cuyo interior siguen naciendo estrellas. El fondo difuso (celeste en la imagen NIRCam y naranja en la imagen MIRI) es probablemente sólo gas residual brillando por fluorescencia. 

La imagen de infrarrojo medio, MIRI, es más rara todavía. La banda espectral de este instrumento va desde los 5 a los 28 micrones, que son temperaturas "tibias" (nosotros brillamos a 10 micrones, por ejemplo). Aquí vemos directamente el polvo brillando y las estrellas en formación en su interior. ¿Y dónde fue a parar la multitud de estrellas del fondo, tan abundantes en las dos imágenes de infrarrojo cercano, de ambos telescopios? Lo que pasa es que las estrellas en general no emiten mucha radiación en esta región del espectro. Las estrellas emiten mayormente luz visible y ultravioleta, como el Sol. Salvo que sean estrellas en formación, o estrellas muy "frías". Cerca de la punta del pilar mayor, una estrella invisible en longitudes de onda más cortas forma un prominente ojo infrarrojo en lo que parece una cabeza de dragón. Debe ser una estrella muy joven o en formación en el interior de la nube. 

En estas regiones de activa formación estelar hay una competencia entre mecanismos opuestos: la imparable acción de la gravedad (que tiende a comprimir estas nubes al colapsarlas sobre las partes más densas), el enfriamiento que produce la tenue radiación del polvo, y la rabiosa radiación de las jóvenes estrellas (que se forman al comprimirse la nebulosa), que tiende a empujarla y disiparla. Estas imágenes, especialmente al observar de manera repetida los mismos objetos, permiten entender cómo y a qué velocidad operan estos mecanismos, que son los responsables del reciclado de la materia en la galaxia y, en definitiva, de la aparición de seres pensantes como nosotros.

Las fotos astronómicas son hermosas, pero su interpretación puede volverse complicada. Mucha gente lo disfruta, y constituye buena parte de la inspiración que producen. La ciencia que esconden está todavía más oculta y enmarañada en las luces que las forman, y llevará muchos años aprovechar a fondo la abundancia de datos que el Webb está produciendo a mares. 

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Todas las imágenes son de NASA/ESA/Hubble y de NASA/ESA/CSA/Webb, manipuladas, rotadas, recortadas y ensambladas por mí.

El fin de la Edad Oscura

No nos ocuparemos del período histórico que va desde la caída de Roma hasta el Renacimiento. La Edad Oscura del título se refiere a una verdadera era de oscuridad cósmica. Tras el Big Bang caliente el universo entero fue, durante 380 mil años, un plasma ígneo, una substancia eléctrica en la cual protones y electrones andaban sueltos, sin formar átomos. En ese contexto la abundante luz que llenaba el universo no podía propagarse: el universo era opaco. Finalmente, tras 380 mil años de expansión, la temperatura fue lo suficientemente baja como para que cada electrón quedara ligado a un protón, formando átomos de hidrógeno. Este evento cósmico se llama recombinación, y a partir de allí la luz pudo viajar libremente. Esos mismos fotones siguen entre nosotros, y aunque eran en su mayor parte luz visible en aquel entonces, la irrefrenable dilatación del universo los estiró hasta convertirlos en las microondas que hoy observamos como fondo cósmico. 

Al terminar la recombinación del hidrógeno, el universo quedó lleno de, bueno, hidrógeno. Enfriándose. El universo quedó en total oscuridad. La noche más oscura duró cientos de millones de años. En algún momento, sin embargo, debió prenderse la primera estrella. Y después la segunda, y la tercera. Se formaron en grandes masas de hidrógeno que se fueron condensando a partir del hidrógeno neutro que llenaba el espacio. De a poco la radiación de estas estrellas, y la de los primeros quasars (se dice "cuéisar") que se encendieron en el centro de las galaxias, volvió a ionizar el hidrógeno neutro que llenaba el espacio. Este evento se llama reionización, y duró más o menos desde los 400 millones hasta los 1000 millones de años del universo temprano.

Todos estos eventos, que son cruciales para entender la evolución temprana del universo, e incluso para restringir las propiedades de la elusiva materia oscura, de la que tan poco sabemos, son en gran parte un misterio. El telescopio espacial Hubble nos ha mostrado pocos ejemplares de esa región, de los primeros cientos de millones de años del universo. La razón, como ya hemos comentado, es que la expansión del espacio dilató enormemente las luces que surgieron de aquellas estrellas, volviéndolas practicamente invisibles. Por esta razón el telescopio Webb se diseñó para ver la radiación infrarroja.  

Las primeras estrellas, las primeras galaxias. ¿Cómo eran? ¿De qué estaban hechas? ¿Ya tenían agujeros negros centrales? ¿Cómo se fueron organizando en el espacio, hasta formar la espuma filamentososas que vemos en el universo más reciente? ¿Cómo fueron creciendo, hasta convertirse en galaxias maduras con las morfologías que conocemos? ¿Tenían discos? ¿Tenían brazos espirales? ¿Había galaxias elípticas? Las primeras generaciones de estrellas, ¿cómo fueron enriqueciendo la química de las galaxias, produciendo finalmente las substancias que hace 7000 millones de años más tarde formarían nuestro planeta y la vida misma? El Webb revelará miles de estas galaxias, y en pocos años van a revolucionar lo que sabemos sobre la evolución del universo. 

 

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La imagen de la evolución del universo es de Wikipedia, adaptada por mí. 

La imagen del detalle de la Edad Oscura es de Miralda-Escudé, The Dark Age of the Universe, Science 300:1904 (2003), también adaptada por mí.

Las cuatro galaxias de la Era de la Reionización son de Trussler et al., Seeing sharper and deeper: JWST’s first glimpse of the photometric and spectroscopic properties of galaxies in the epoch of reionisation (arXiv:2207.14265v1).

Ojo de halcón

Cuando vi esta foto dije, "mmmhhh, qué linda imagen de la Vía Láctea".

De hecho, se parecía un poco a mi foto de la galaxia con el molino:

Pero luego vi la versión anotada:

Y entonces dije, "ah bueno". ¿Por qué? Porque reconocí dos de esos cuatro cúmulos estelares señalados, que están muy cerca del centro de la Vía Láctea. Aunque no había una escala, esto delataba que la imagen era de una región muy muy pequeña del cielo. Claro, está tomada con Yepun, uno de los telescopios del Very Large Telescope, y su instrumento HAWK-I: High Accuity Wide-field K-band Imager, que es esta camarita infrarroja. Pfff.

La imagen es extraordinaria y sin precedentes. Contiene 3 millones de estrellas en unos 2 grados en el cielo (4 lunas), y la versión completa de 700 megapíxels (que no cabe aquí, por supuesto) tiene una resolución angular de 0.2 segundos de arco. Lo que vemos en colores es una traducción visible de una imagen completamente invisible, registrada en tres colores infrarrojos (las bandas J, H y K). Sólo de esta manera se puede ver lo que hay detrás de las nubes de polvo frío que existen entre nosotros y el centro de nuestra galaxia.

El objetivo de este instrumento no es solamente producir una foto hermosa sino develar la dinámica de la región más densa de la Vía Láctea, muy distinta de la de nuestra  tranquila periferia. El núcleo es la región más antigua, y allí es donde podemos ver la evolución completa de nuestro sistema de estrellas. Hace poco comentábamos la posible actividad del agujero negro central en el pasado, y parece que la formación estelar también fue distinta en otros tiempos. Más o menos el 80% de las estrellas de la foto son muy antiguas, de más de 8 mil millones de años de edad. Luego de este frenesí inicial, hubo un larguísimo período de tranquilidad durante el cual nacieron muy pocas nuevas estrellas. Y entonces, bruscamente, hace mil millones de años (cuando la Tierra ya rebosaba de vida) hubo un corto período de 100 millones de años durante el cual se formaron estrellas a un ritmo 100 veces mayor que el actual. Debe haber sido una de las épocas más energéticas de nuestra galaxia. Muchas de esas estrellas eran muy masivas y explotaron como supernovas. Incluso podrían haber producido ellas mismas las burbujas de Fermi que contamos. Cientos de miles de supernovas en Sagitario. ¡Qué espectáculo para las bacterias de nuestros mares! Este tipo de resultados se obtiene a partir de representaciones de color vs. magnitud (similares a los diagramas HR que los aficionados conocemos desde chicos). Quise rescatar uno de ellos aquí, porque muestra cómo se distinguen distintas poblaciones de estrellas (señaladas con flechas) que, analizadas de acuerdo a la física de la evolución estelar, permiten reconstruir estas historias. Es interesante también la presencia de las tres poblaciones indicadas con números: son estrellas que se encuentran en los tres brazos de la Vía Láctea que están en la línea visual hacia el centro.

¿Por qué pasó esto? Las galaxias experimentan estos episodios de gran producción de estrellas (starburst) cuando chocan unas con otras, como el caso de las Antenas que fotografié hace algunos años. ¿Acaso la Vía Láctea chocó con otra galaxia en el pasado? Claro que sí. Según entendemos actualmente, las galaxias crecen chocando y fusionándose unas con otras, y es lo que hizo la Vía Láctea en el pasado. Las poblaciones actuales de estrellas son el resultado de estas colisiones descomunales, en las cuales ocurre una especie de milagro astrofísico: la energía cinética del choque acaba convertida en nuevas estrellas y planetas y, eventualmente, sus habitantes. La energía de mis dedos al tipear estas líneas, la que alimenta la pantalla donde lo leés, la de tu cerebro que lo imagina, es energía cinética de una colisión de galaxias, reprocesada una y otra vez. Fascinante.

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Las imágenes son de ESO/VLT, tomadas de la nota original. La de las Antenas, y la de la Galaxia y el Molino, son mías, pero se las presto.
 
Los papers correspondientes son súper interesantes:
F Nogueras-Lara et al., GALACTICNUCLEUS: A high-angular-resolution JHKs imaging survey of the Galactic centre, Astronomy and Astrophysics 631:A20 (2019) (de donde tomé el diagrama color-magnitud).
F Nogueras-Lara et al., Early formation and recent starburst activity in the nuclear disk of the Milky Way, Nature Astronomy (2019) (preprint casi idéntico: arXiv:1910.06968 [astro-ph.GA]).

El nombre del instrumento, convertido en el acrónimo HAWK-I, se pronuncia hawk eye, o sea ojo de halcón. Otro hawk eye famoso es Hawkeye Pierce, el cirujano de M*A*S*H protagonizado por Alan Alda, uno de los personajes más entrañables de todas las series televisivas. Además de gran actor, Alan Alda es un fan de la ciencia y condujo Scientific American Frontiers durante muchos años, una excelente serie que lamentablemente no se dio en Argentina.

La galaxia y el molino

En octubre, en el bonito hotel donde el Instituto Copérnico y Miradas al Cielo organizaron el 8o Encuentro de Jóvenes Astrónomos, pude disfrutar un par de noches del claro y calmo cielo mendocino. Había un fotogénico molino de viento, así que era irresistible hacer una foto como ésta, aprovechando la Vía Láctea bajita sobre el Oeste:

Hice también una panorámica ensamblando varias tomas, que me quedó ideal para hacer un señalador:

Cuando vi esta imagen, que muestra la Vía Láctea casi recta (sin el habitual arco), tan densa en el centro y plena de filamentos oscuros, no pude evitar la comparación con un panorama famoso hecho por el Observatorio Europeo Austral con la cámara infrarroja VISTA en uno de los Telescopios Muy Grandes. Recorto un pedacito con las proporciones de la mía (pero recomiendo fuertemente ir a explorar on line la imagen gigapixélica original):

Como dije, se trata de una imagen infrarroja. Así que la asignación de colores es arbitraria, y nada me impide usar la magia de Photoshop para recolorearla con los tonos de mi foto (Image > Adjustments > Match color):

Y finalmente, por qué no, imaginar que vemos en infrarrojo desde el valle del río Atuel:

Con las dos fotos juntas se ve el parecido, y por qué una me hizo recordar la otra.

Un poco más tarde me acerqué más al molino y pude fotografiar hacia arriba, donde se lucía la Nube Mayor de Magallanes. Una preciosidad:

Como puede verse, enfoqué el cielo y el molino quedó un poco desenfocado, a pesar de que estaba bastante lejos. Es un efecto de usar la apertura máxima de la lente para reducir el tiempo de exposición y que no salgan movidas las estrellas. Pero tal vez convenga reducir un poco el diafragma y enfocar en el objeto cercano. En abril se realizará en el mismo sitio la Star Party Valle Grande, así que puedo volver a intentarlo.

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La imagen de la Vía Láctea en infrarrojo es un recorte de la imagen original, de ESO/VVV Survey/D. Minniti.

Hágase la luz

La luz es la única conexión que tenemos con el universo más allá del sistema solar. La única que teníamos hasta hace muy poco con cualquier cosa más allá de la Tierra. Es la mensajera de mundos distantes y de tiempos remotos. Nos cuenta la historia del origen del universo.

La luz visible, la que vemos con nuestros ojos, es una fracción pequeñísima de toda la luz del universo. Más allá del rojo, la radiación infrarroja es también luz, sólo que nuestros ojos no la pueden ver. En una noche de verano, cuando el Sol ya se ha puesto, podemos sentirla en la palma de la mano, viniendo del suelo. Aún más allá, con una longitud de onda de algunos centímetros, hay otra luz invisible que llamamos microondas. Y luego otras más largas, del tamaño de edificios y hasta de montañas: las ondas de radio. Y aun otras, de longitudes de onda pequeñisimas: la radiación ultravioleta, los rayos X, los rayos gamma.

Aunque durante la mayor parte de la historia de la humanidad fuimos ciegos a estas luces invisibles, todas ellas son familiares en la vida cotidiana: las fabricamos y las usamos para nuestro provecho en los controles remotos, en los hornos de microondas, en las estaciones de radio... Pero no toda la luz invisible que nos rodea es artificial. Cuando escuchamos la radio, el aparato no se sintoniza en una onda de sonido (que es algo muy diferente de la luz), sino en una onda de radio (¡claro, por eso se lama radio!) producida por una estación. Y entre estación y estación, donde vive eso que llamamos estática, más o menos un 1% de ese ruido es la luz del Big Bang. Luz estirada hasta convertirla en radio, una luz emitida hace más de 13 mil millones de años. Las imágenes de los satélites COBE, WMAP y Planck, y hasta la estática en la radio, son lupas con las que vemos el inicio de nuestro universo, del tiempo, de todo.

Todo en un rayo de luz invisible, un puñado de fotones que ha cruzado el abismo del espacio para llegar hasta nosotros y revelarnos la inmensidad, la belleza y la complejidad del universo.

En 2015 se celebrará en todo el mundo el Año Internacional de la Luz. Estén atentos, que habrá muchas actividades. 

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La imagen de un destello de luz circula por la web sin origen cierto. La comparación de las imágenes de la anomalía del fondo cósmico de microondas es de Le Figaro, basada en imágenes de NASA y las correspondientes misiones científicas (COBE/WMAP/Planck). El logo del año de la luz es el oficial, tal como se lo encuentra en muchas fuentes.

La laguna azul

En la nota de la semana pasada conté que el centro de la Vía Láctea se ve mucho mejor en radiación infrarroja que en luz visible, ya que enormes nubes oscuras ocultan las estrellas que hay detrás. Aquí está de nuevo la imagen infrarroja, que es un panorama de fotografías tomadas con el telescopio VISTA del Observatorio Europeo Austral, ubicado en el Cerro Paranal, en Chile. La imagen original tiene 9 Gigapixels, con una resolución de 108000×81500 pixels. ¡Impresa en la resolución típica de un libro ocuparía una superficie de 9 por 7 metros! Muestra más de 170 millones de objetos, de los cuales al menos 84 millones son estrellas. En el cielo, corresponde más o menos al tamaño de una mano con el brazo extendido ¿No es impresionante?

Sí, es muy impresionante, y lamentablemente nadie la va a imprimir en 9 por 7 metros. Lo que hicieron es una versión "zoomeable", a la que puede accederse aquí. Cuando la foto fue publicada, hace unos meses, yo justo había fotografiado la Nebulosa de la Laguna, que queda muy cerca del centro de la Vía Láctea y que aparece en la foto. ¿Cómo se compara una foto tomada con una cámara de consumo, a través de un telescopio de 20 cm, en un barrio suburbano un día de viento, con una foto infrarroja tomada desde uno de los mejores sitios astronómicos del planeta, con un telescopio de 4 metros? El espejo secundario de VISTA mide más de un metro de diámetro. La cámara infrarroja de 63 megapixels de VISTA pesa tres toneladas y funciona a 200 grados bajo cero. Me moría de curiosidad.

Salvé una serie de capturas de pantalla para mostrarlas aquí, y las compuse en esta animación. Es un GIF animado bastante grande, así que tengan paciencia si tarda en cargar.

Los colores de la imagen infrarroja, naturalmente, son arbitrarios. La luz infrarroja es invisible, y sus colores no son los que conocemos del arco iris. Los astrónomos asignan colores representativos a las imágenes tomadas en las distintas longitudes de onda infrarrojas de la cámara para que podamos verla. En cambio los colores de mi foto, que aparece gradualmente a la mitad de la animación, son colores verdaderos. El rojo, por ejemplo, corresponde a la fluorescencia del gas hidrógeno en la nebulosa, por acción de la intensa radiación ultravioleta de un grupito de estrellas jóvenes que alberga en su interior. Pobrecita mi foto, ¿no? Bueno, acá la pongo completa para no desmerecerla, no está tan mal:

El centro de la Vía Láctea se alza convenientemente sobre nuestras cabezas en los meses de invierno. No dejen de explorarlo con el instrumento que tengan. Es una de las regiones más impresionantes del cielo, con la Laguna y muchas otras cosas por descubrir.

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Créditos: Las imágenes infrarrojas son de ESO/VVV Survey/D. Minniti. Los datos corresponden a uno de los varios surveys de VISTA, que son públicamente accesible para uso de todos los astrónomos del mundo, y para deleite de los amantes de la astronomía.

Expresionismo astronómico

¿Reconocen esta galaxia? Parece una típica galaxia espiral vista de frente (o "de arriba"). Es parecida, por ejemplo, a la galaxia NGC 1309 que BadAstronomy comentó hace poco. Los observadores atentos notarán que las estrellas (que son estrellas de la Vía Láctea, mucho más cercanas que la galaxia) aparecen estiradas. Parece el típico error de la astrofotografía aficionada: una foto mal guiada. Si la cámara no acompaña exactamente el movimiento del cielo, la foto sale "movida". ¿Es eso?

No. Es la galaxia M31, la famosa Galaxia de Andrómeda. Inclusive mis lectores del hemisferio sur (desde donde M31 es prácticamente invisible) la deben conocer, al menos de fotos. Es una galaxia espiral muy grande, cercana a la Vía Láctea. Y no la vemos de frente, sino inclinada unos 77°. Ésta es la foto original, una preciosa imagen que ilustra el artículo de M31 en Wikipedia.

Me dieron ganas de "rectificar" a M31, para verla tal como la veríamos desde arriba, cuando apareció recientemente una notable imagen de radiación infrarroja producida por el telescopio espacial Herschel. Esta radiación delinea perfectamente las nubes de polvo frío, que en la imagen de luz visible se ven como delicados filamentos oscuros. Se los ve alcanzar el mismo centro de la galaxia, que en luz visible aparece velado por la intensa luz de las muchas estrellas que forman el bulbo. Se supone que las nubes de polvo recorren los brazos espirales. Pero la verdad es que me costaba ver espirales en esta imagen tan oblicua, así que la reproyecté.

Lo que vi fue esto, acá están las dos imágenes combinadas. ¡Es un anillo! Definitivamente, más que un brazo espiral, parece un anillo. De hecho, varios anillos. Nunca había visto algo así referido a la galaxia de Andrómeda, pero al rebuscar encontré que no fui el primero en observarlo. En imágenes tomadas en radiación ultravioleta, que en lugar de polvo frío muestran las estrellas jóvenes, también se ve esta estructura de anillos concéntricos. Parece que M31 está en una etapa de transición a convertirse en una "galaxia anillo", como resultado de su colisión con su satélite M32, que ocurrió mientras África y Sudamérica empezaban a separarse por estos lares.

A propósito, ¿dónde está M32? La borré digitalmente, sólo para confundir más la foto. Acá están ambas (M32 es el óvalo blanco de arriba, en el borde de M31), combinando la imagen infrarroja de otra manera para que parezca más... bueno, más infrarroja. La otra cosa rara es la barra que cruza el bulbo central. M31 no está clasificada como espiral barrada. Creo que lo que ocurre es que, en esa parte central que se sale del disco plano de la galaxia, la reproyección falla. Si el bulbo fuera esférico, al ponernos de frente seguiría siendo esférico. Así que ese óvalo brillante es un artificio de la reproyección (notar, de todos modos, que no está estirado exactamente en la misma dirección de las estrellas). Lo que no es tan obvio es lo que pasa con la imagen infrarroja. Allí también se ve una estructura con forma estirada, como una barra que pasa por el centro (y con un anillo central). También encontré por ahí que M31 podría tener una barra, después de todo, que vemos casi de punta y por eso pasa desapercibida. Así que tal vez mi reproyección aproximada muestra bastante bien el aspecto de la galaxia.

En fin. Tenía mis dudas sobre el valor científico de estos juegos geométricos. Así que decidí explorar su valor artísitico. Cambiando la mezcla entre las dos imágenes, así como el balance de colores y tonos, hice un montón de galaxias de Andrómeda al estilo de Kandinsky en su Cuadrados con círculos concéntricos. Aquí dejo uno de los collages (hice un montón, ni se imaginan). Servirá como fondo de escritorio para algún astrónomo expresionista abstracto.

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La imagen de M31 en luz visible es de Adam Evans (Wikipedia). Yo la reproyecté y retoqué para compensar la extinción de la mitad lejana, y para las varias versiones con colores cambiados. La imagen infrarroja es de ESA/Herschel/PACS & SPIRE Consortium, O. Krause, HSC y H. Linz. Cada imagen compuesta es de 4000x4000 (por si a alguien le interesan) mientras que las que puse aquí son de 500x500.

El famoso cuadro de Kandinsky, mucho más abstracto que casi toda su obra, es un estudio de colores que guardan en la Städtische Galerie im Lenbachhaus, Munich.

La más antigua reproyección de M31 que encontré (¡de las apenas 2 que encontré!) está en An optical study of stars and dust in the Andromeda Galaxy, de Walterbos y Kennicutt, Astronomy and Astrophysics (1988). Antes de la era de los observatorios espaciales. Allí observan que en la reproyección no se aprecia una estructura de 2 o 3 grandes brazos espirales, como esperaban.

Infrarrojo

Rayos gama, rayos X, rayos ultravioleta, radiación infrarroja, microondas, ondas de radio. En el mundo de hoy hasta el menos familiar de estos fenómenos tiene aplicaciones cotidianas, de manera que  apenas necesitan presentación. Estos seis, más la luz, son los nombres propios de las ondas electromagnéticas. Pero ojito, que a pesar de que tienen nombres distintos —por razones históricas, más que otra cosa— no son fenómenos físicos distintos. Son luz, sólo que de otros "colores".

En el campo electromagnético que llena todo el universo las perturbaciones se propagan como ondas. Un poco como la perturbación que se produce al tirar una piedra a un estanque, que se propaga como una onda en la superficie del agua. Los colores (los del arco iris) corresponden a distintas longitudes de onda, es decir distintas distancias entre crestas de ondas sucesivas. Las otras seis radiaciones tienen longitudes de onda más cortas o más largas que las que podemos ver con nuestros ojos.

La primera de estas luces invisibles en ser descubierta fue la radiación infrarroja. William Herschel, músico de profesión y astrónomo por vocación, la descubrió hace algo más de 200 años, haciendo el experimento que yo repetí en la foto de aquí arriba. Con un prisma descompuso la luz del Sol y le tomó la temperatura a cada color. Descubrió que la máxima temperatura se alcanzaba con el termómetro más allá del rojo, en un región donde aparentemente no había luz alguna. La "luz" infrarroja tiene una longitud de onda más larga que la del rojo.

Hoy en día es más fácil todavía "ver" la radiación infrarroja. Los controles remotos de televisores y otros aparatos tienen una lamparita al frente. Cuando apretamos un botón esta lamparita se enciende, pero no lo vemos. Es un led infrarrojo. Y resulta que las cámaras fotográficas modernas registran sus imágenes con un dispositivo electrónico que es sensible al infrarrojo. Así que mirando la lamparita del control remoto a través de la cámara podemos ver cómo se enciende al apretar los botones. Cooool...

Inclusive podemos iluminarnos con esta lucecita infrarroja y sacarnos una foto en una habitación completamente a oscuras. ¡Buenísimo! La foto de aquí al lado la tomé con una cámara compacta normal, con una exposición de 15 segundos. ¡Hay que quedarse bien quieto! El color, por supuesto, es arbitrario. El sensor de la cámara convierte los fotones infrarrojos en una señal electrónica, que la cámara traduce en una imagen visible.

La radiación infrarroja revela un universo invisible. Resulta que la Galaxia está llena de polvo, y que el polvo es opaco a la luz visible (como la ceniza de un volcán). Pero es casi transparente al infrarrojo. En estos días de invierno en el hemisferio austral el centro de la Vía Láctea está sobre nuestras cabezas en las primeras horas de la noche (salgan a verlo). Aunque es una visión sobrecogedora en luz visible, el polvo oculta lo que hay detrás. En luz infrarroja, en cambio, se ve a través del polvo. La diferencia es impresionante, como se puede ver en esta comparación. La imagen de la izquierda es en luz visible. Las zonas oscuras no están vacías de estrellas, sino que son la silueta de enormes nubes oscuras y frías (bien fríiiias). La de la derecha es en infrarrojo (tomada para el survey 2MASS). Ambas imágenes muestran la misma región del cielo, de unos 10° de ancho (un puño). El centro de la Galaxia está arriba a la izquierda. Algún día contaremos lo que se puede ver allí en infrarrojo, vale la pena.

Nuestra atmósfera es sólo parcialmente transparente al infrarrojo, de manera que casi toda la astronomía infrarroja hay que ponerla en órbita. Lamentablemente el telescopio espacial James Webb, con su espejo de 6 metros y medio y su visión infrarroja, destinado sin ninguna duda a revolucionar la astronomía como lo hizo el Hubble, parece que estará entre los recortes presupuestarios de los Estados Unidos...

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Obviamente la foto del control remoto está retocada. ¡No es posible evitar que salga la lucecita en una foto! Así que para producir la ilusión de lo que se ve cuando se hace la experiencia usé dos cámaras y retoqué la imagen directa, dejando la que se ve a través de la cámara de adelante.