El color de los Pilares de la Creación

El espectro electromagnético es el conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas conocidas, también llamadas “ondas electromagnéticas” ya que esta radiación se propaga en el espacio bajo la forma de ondas de campo eléctrico y campo magnético (uno perpendicular al otro) con una trayectoria en línea recta, transportando energía. El espectro electromagnético completo cubre longitudes de onda muy variadas, que van desde los rayos Gamma, con longitudes de onda más pequeñas que la millonésima de la millonésima parte de un metro, hasta las ondas de Radio, con longitudes de onda de cientos de metros. Una zona “especial” del espectro, denominada “espectro visible” representa la pequeña fracción del espectro electromagnético que nuestros ojos son capaces de detectar, con longitudes de onda en el rango de cientos de nanómetros (una unidad que se abrevia como “nm” y corresponde a la millonésima parte de un milímetro). El resto de radiación que completa dicho espectro pasa completamente desapercibida ante nuestros ojos y por eso no “vemos” a las ondas de radiación que salen desde nuestro teléfono celular cuando hablamos con un amigo (en el orden del metro) ni el haz de rayos X que nos atraviesa cuando nos hacemos una radiografía (en el orden de la décima parte de un nanómetro).

Imagen: Representación del espectro electromagnético. A la izquierda de la imagen se encuentra la zona de menor energía, denominada Infrarroja, donde se pueden apreciar las longitudes de ondas largas de la radiación. Hacia la derecha de la imagen, por el contrario, encontramos la zona Ultravioleta, con longitudes de ondas cortas y por ende, zona de mayor energía.

Es importante mencionar que una onda (eléctrica, magnética, mecánica, de sonido, etc), además de estar caracterizada por una dada longitud de onda, también tiene una frecuencia característica, que representa la cantidad de veces que una onda completa pasa por segundo por un dado punto del espacio. A menudo, en lugar de mencionar la longitud de onda de alguna porción del espectro electromagnético que nos interesa describir, se suele mencionar a la frecuencia de esa porción.

Imagen: descripción gráfica de los elementos que conforman una onda

Ambos términos, longitud y frecuencia de una onda, están relacionados entre sí ya que su producto (la longitud de onda multiplicada por la frecuencia de dicha onda) es una constante universal, la velocidad de la luz en el vacío (igual a 300.000 km/s). La expresión matemática que las vincula es: c = λ.ν, donde c es la velocidad de la luz, λ (la letra griega lambda) es la longitud de la onda y ν (la letra griega nu) es la frecuencia. Desde esta expresión podemos observar que una radiación que tenga longitudes de onda largas, tendrá frecuencias bajas, y a la inversa, una longitud de onda corta se corresponde con una frecuencia alta.

La luz visible está compuesta por radiación de longitud de ondas largas, es decir frecuencias cortas, y abarca desde el color rojo (en los 750 nm) hasta el color violeta (en los 400 nm). Por encima y por debajo de estos dos extremos de radiación que nuestro ojo puede percibir tenemos a la radiación infrarroja, con longitudes de onda más largas y frecuencias más bajas, y a la radiación ultravioleta, con longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas. En el centro del espectro visible, encontramos las longitudes de onda media, representadas por el color verde (en los 550 nm aproximadamente).

Imagen: representación de la Luz visible dentro del espectro electromagnético. (La imagen es ilustrativa, para ser rediseñada en español, y sin los sellos).

Gracias a que la capa fotorreceptora que cubre la retina de nuestro ojo, formada por células fotosensibles llamadas conos y bastones (los encargados de la percepción del color) podemos percibir los diferentes colores de la radiación que nos llega, pero como dijimos antes, solo en una porción muy pequeña de todo el espectro electromagnético. La radiación proveniente del sol, por ejemplo, es radiación en general de onda corta, y abarca las bandas del ultravioleta, el visible y el infrarrojo cercano, desde los 250 nm y hasta los 2500 nm, aproximadamente. Para nuestros ojos, la luz que nos llega desde el sol la consideramos como “blanca” porque contiene las longitudes de onda de todos los colores. Solo cuando descomponemos un haz de luz mediante un prisma, por ejemplo, podemos ver realmente que la luz solar está compuesta por todos los siete colores “del arcoíris”: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Cuando esta radiación blanca incide sobre algún objeto, éste puede absorber algunas longitudes de onda y reflejar (o transmitir) otras longitudes de onda, dependiendo de qué sustancias químicas se encuentren en su superficie (si el objeto es opaco, tal como una fruta) o en su interior (si el objeto es transparente, como un vidrio). Aquellas longitudes de onda que refleje, son las que llegarán a nuestros ojos y podremos ver e interpretar como su color. Veamos un ejemplo: en el caso de las manzanas rojas, su superficie absorbe prácticamente todas las longitudes de ondas excepto las correspondientes al color rojo, que son reflejadas y alcanzan los fotorreceptores en nuestra retina, haciendo que nuestro cerebro “vea” que las manzanas son de color rojo. En otros casos, la superficie del objeto absorbe exclusivamente una única banda de color y refleja todas las restantes. Esta combinación de bandas de colores, donde hay uno que falta, también es percibido por nuestro cerebro como un único color, pero diferente al absorbido y es el color complementario a aquel que está faltando en la luz que llegó a los fotorreceptores.

Nuestros ojos tienen en la retina 3 clases de conos diferentes, que son sensibles a 3 bandas de longitudes de ondas diferentes y es por ello que tenemos visión tricromática: longitudes de ondas cortas (color azul), medias (color verde) y largas (color rojo). ¡La combinación de estos tres colores y con diferentes intensidades en cada uno son la guía principal para poder ver imágenes en todo el espectro de los colores!

Imagen: Izq: Representación del proceso de la percepción visual del color. Dcha: Gráfico: Sensibilidad de Células fotorreceptoras (conos) según la Longitud de onda.

Esto que hemos descrito es lo que sucede con los colores que vemos a los objetos en la Tierra, pero en el espacio, ¿qué sucede con los colores que vemos en las imágenes de cúmulos, nebulosas y galaxias? ¿Cuáles son sus “verdaderos” colores?

El telescopio espacial Hubble se halla en órbita desde la década del 90 y gracias a su tecnología, nos ha permitido conocer y descubrir regiones del espacio que nunca antes habían sido exploradas. Uno de los principales instrumentos con el que cuenta el telescopio espacial, es su cámara de fotos, con un funcionamiento similar a las cámara que tienen nuestros teléfonos celulares, puesto que su detector es un CCD (Charge couple device, en español Dispositivo de carga acoplada). Este detector le permite al telescopio tomar imágenes de alta resolución de regiones muy lejanas, pero con un detalle particular: todas las fotografías que toma son en blanco y negro y en una escala de más de 200 matices de grises diferente.

Esto se debe a que los detectores están fabricados para medir “intensidad de radiación” emitida por un cuerpo celeste, dentro de una banda espectral en la cual el CCD tiene mayor sensibilidad, en lugar de captar el color como las cámara de foto.

Imagen: El telescopio Espacial Hubble, nombrado así en honor al gran astrónomo Edwin Hubble, se encuentra en órbita desde el 24 de abril de 1990.

Entonces ¿cómo llegan a tener colores las icónicas fotografías del Hubble, como las que mostramos abajo?

Imagen: Fotomontaje de fotografías tomadas por el Telescopio Espacial Hubble. Arriba izq. “Cúmulo de galaxias MACS J1149.5+223”. Arriba dcha: “Nebulosa La Hélice”. Abajo: “Galaxia del Sombrero”. -NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLAS – NASA / ESA / UNIVERSIDAD VANDERBILT / STScI

La respuesta es tan sencilla que tal vez nos desilusione un poco: son colores “artificiales”, es decir, las imágenes originales obtenidas por el Hubble han sido coloreadas a propósito.

Este trabajo de ponerle color a las imágenes “crudas” se desarrolla en conjunto entre científicos y artistas, puesto que las imágenes no son coloreadas con tonos al azar, sino más bien siguiendo un método vinculado al espectro electromagnético, del que hablamos anteriormente.

Por una parte, el Telescopio Espacial Hubble tiene la capacidad de tomar fotografías a través de filtros; estos filtros, como bien lo indica su nombre, se utilizan para filtrar o bloquear radiación electromagnética “no deseada”, dejando pasar sólo aquella radiación que nos interese registrar en la imagen.

Los diferentes filtros con los que se toman las imágenes separan la luz en “bandas”, si son filtros de banda ancha, podemos tener filtros con el máximo de sensibilidad centrados en la longitud de onda de 300 nm (cerca del ultravioleta), 450 nm (luz azul), 606 nm (luz roja) y 814 nm (cerca del infrarrojo). Este tipo de filtros son particularmente útiles para el estudio de los colores de las estrellas, puesto que permiten el paso de todas las longitudes de ondas, excepto las situadas alrededor de 560 nanómetros, que se corresponden a la luz emitida por lámparas de sodio y mercurio. Otro tipo de filtros son los filtros de banda estrecha, mucho más restrictivo, pues sólo deja pasar líneas de emisión discretas, es decir solo en algunas longitudes de ondas determinadas del espectro visible (por ejemplo, la línea [Hα] (hidrógeno ionizado) en 653.6nm, o la del Oxígeno ionizado dos veces [OIII] en los 495.9nm y 500.9nm), que normalmente son utilizados por los astrofísicos para estudiar los procesos químicos generados en el interior de las estrellas.

Esto no sólo se utiliza para asignar un color a la imagen según el tipo de filtro utilizado, sino también le permite a los científicos trazar mapas de cómo los diferentes gases interactúan en el universo para formar galaxias, nebulosas y planetas.

Los pilares de la Creación.

Una de las imágenes más impresionantes captada por el telescopio espacial Hubble, se llama “Los Pilares de la Creación”. Tomada el 1 de abril de 1995, la imagen corresponde a aglomeraciones de gas y polvo que forman parte de la nebulosa del Águila, también conocida como M16, ubicada a 7000 años luz de la Tierra. Los Pilares de la Creación han recibido este nombre porque el gas y el polvo interestelar que forman las columnas, también conocidas como “trompas de elefantes”, se encuentran en proceso de formación de nuevas estrellas. Con una extensión aproximada de 4 a 5 años luz, los Pilares de la Creación son una característica fascinante pero relativamente pequeña de toda la Nebulosa del Águila, que tiene una extensión de 70 por 55 años luz.

Imagen: Los pilares de la Creación en vista de luz visible. Fotografía tomada por el telescopio Espacial Hubble el 1 de abril de 1995. NASA, ESA/Hubble and the Hubble Heritage Team.

El proceso del color

El telescopio espacial Hubble puede registrar bandas muy estrechas de luz provenientes de átomos de elementos individuales, como oxígeno y carbono, presentes en forma de gas, y usar el color para rastrear su presencia en una imagen. El filtrado más común aísla la luz emitida por el hidrógeno, el azufre y el oxígeno, tres componentes claves de las estrellas.

Imagen: Imágenes tomadas con diferentes filtros en bandas muy estrechas de luz, capaz de filtrar la presencia de elementos químicos, del resto de la radiación electromagnética. De izq a dcha, azufre, hidrógeno y oxígeno, con la indicación (arriba) de la estrecha banda de color en el espectro visible analizada para cada elemento.

Ahora bien, tanto el hidrógeno como el azufre se ven naturalmente en la banda de luz roja, y el oxígeno más en el azul.

Imagen: asignación de colores según el máximo de frecuencia que emite cada elemento dentro del espectro electromagnético.

Colorear los gases de Los Pilares de la Creación como realmente los veríamos produciría rojo, rojo y cian, y la imagen se vería más o menos como la imagen mostrada abajo a la izquierda, muy diferente a la imagen de los Pilares que conocemos, abajo derecha. Si se respetaran los colores asignados según el elemento químico, la imagen final no resultaría útil para el análisis visual que necesitan hacer los científicos.

Imagen: Comparación entre imágenes coloreadas según la presencia del elemento químico con su color correspondiente (Izq.), con la imagen de “Los Pilares de la Creación” que se muestra habitualmente en las redes, libros y revistas.

Para corregir este defecto y obtener una imagen a muchos colores, y lograr separar visualmente el azufre del hidrógeno, los científicos han asignado los elementos hidrógeno, azufre y oxígeno al rojo, verde y azul, respectivamente, de acuerdo con su lugar en el orden cromático: esto significa que, dado que el oxígeno tiene la frecuencia más alta entre los tres elementos, se le asigna el color azul. Para el hidrógeno, que tiene una frecuencia mayor a la del azufre, se le asigna el verde, y el azufre, permanece en el color rojo.

Imagen: Muestra de reasignación de colores, según orden cromático, llevada a cabo por científicos y artistas, para lograr una imagen más nítida y con mayor detalle, útil para su análisis.

Imagen: Composición de colores para formar una imagen en vista de luz visible, luego de la reasignación de colores según el material químico existente en el gas.

El resultado es una imagen a todo color que puede darnos una idea acerca del proceso por el cual nuestro propio sistema solar puede haberse formado:

Imagen: Los Pilares de la Creación con una extensión aproximada de 4 a 5 años luz, en vista de luz visible, luego de componer Azufre (S) en rojo, Hidrógeno (H) en verde, y Oxígeno (O) en azul. NASA, ESA/Hubble and the Hubble Heritage Team.

Esta imagen en la vista de luz visible les ha permitido a los científicos poder conocer la composición química y la distribución de los gases que forman estos pilares. Por ejemplo, la niebla azulada que se puede ver en los bordes de los densos pilares, es característica de material que está siendo calentado por estrellas jóvenes y brillantes, y se está evaporando en el espacio. Por otra parte, los científicos utilizan estas imágenes para estudiar cómo la estructura física de los pilares va cambiando con el tiempo.

Si cambiamos de filtros, y en vez de usar filtros para la luz visible, usamos filtros para infrarrojo, podremos observar qué ocurre en el interior de estos pilares. La observación en infrarrojo tiene la capacidad de penetrar gran parte del polvo y el gas interestelar que oscurecen el interior de las columnas, y revela una vista más desconocida de los pilares:

Imagen: los pilares de la Creación registrados con detección solo de la radiación emitida en el Infrarrojo. NASA, ESA/Hubble and the Hubble Heritage Team.

De esta forma, se pueden observar estrellas recién nacidas, ocultas en la vista de la luz visible, formándose dentro de los propios pilares. Pero también les permitió a los científicos conocer cuál es la razón por la que existen: los extremos densos de estas columnas de gas y polvo ensombrecen el gas que existe por debajo de ellos, creando estas estructuras largas en forma de pilares.

La formación de estrellas, principalmente estrellas masivas en el interior de los pilares pueden estar destruyendo y cambiando lentamente la forma de los mismo, pues la radiación que emiten las estrellas durante esta etapa, muy intensa y de alta energía, erosiona el material que las circunda, modificando en este caso la estructura física de los pilares. Pero también son estas mismas estrellas la razón por la que Hubble ve las estructuras, ya que irradian suficiente luz ultravioleta como para iluminar el área y hacer brillar las nubes de oxígeno, hidrógeno y azufre.

Después de observar y analizar esta imagen en Infrarrojo, los científicos coinciden en que “Los pilares de la Creación” también podrían llamarse “Los Pilares de la Destrucción”.

Y así es nuestro universo, permanentemente creando y destruyendo galaxias, estrellas y planetas también. Solo una cosa es constante… y es la materia que contiene todo el universo, como masa y energía juntas.