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Decir que soy astrónoma en eventos sociales siempre causa sensación.

Anoche, en una cena de la universidad, estuve sentada al lado de un historiador, quien me preguntó con ojos brillosos: “¿cómo aprendemos sobre las estrellas?” mientras jugaba con la ensalada en su plato.

La luz de las estrellas que observamos usando telescopios, le dije, contiene una enorme cantidad de información sobre la temperatura, gravedad, y composición química de las estrellas. Los telescopios capturan partículas de luz llamadas fotones, tal como una cubeta captura gotas de lluvia. En 1610, Galileo utilizó un sencillo tubo con lentes al que llamó catalejo para observar el cielo y recibir más luz de la que podía obtener sólo con sus ojos. Los telescopios han avanzado muchísimo desde ese entonces. Ahora pueden ser enormes, llegando a costar cientos de millones, o incluso miles de millones, de dólares. Mientras más grande sea el telescopio, más luz puede recolectar y más lejanos son los planetas, estrellas, y galaxias que puede observar.

La luz de las estrellas está compuesta por fotones con un espectro de colores y longitudes de onda. Un instrumento especial utilizado en conjunto con un telescopio permite separar la luz según su longitud de onda, formando así un espectro que podemos estudiar para descifrar la información que dicha luz contiene. Este proceso se llama análisis espectroscópico. Históricamente, las figuras principales en este campo fueron mujeres. Esto, ya que en los años 1800 se consideraba “inapropiado” que una mujer usara un telescopio, por lo que las astrónomas eran delegadas a posiciones de interior, como los laboratorios. Annie J. Cannon, entre otras astrónomas, pasó casi toda su vida analizado cuidadosamente cientos de miles de espectros estelares en el observatorio de Harvard. Clasificó manualmente un registro de más de 200,000 estrellas.

¿Cómo se genera un espectro?

Las estrellas están rodeadas por una atmósfera rica en elementos químicos que estaban presentes cuando la estrella se formó, o que se formaron posteriormente en el núcleo de la estrella y luego emergieron a su superficie. Cuando la luz de la estrella pasa a través de esta atmósfera, la intensidad de algunos de sus componentes disminuye, y líneas o bandas oscuras aparecen en el espectro.

Apuntando al plato de mi amigo historiador, le dije: “veo que sólo te has servido los tomates de tu ensalada”. “Si, no me gustan los vegetales verdes pero me gustan los tomates”, me respondió.

Le dije: “bueno, si la próxima vez estoy de espaldas a la persona que está cenando conmigo, y al mirar su plato veo que sólo se comió los tomates y todos los vegetales verdes no han sido tocados, puedo asumir que es muy probable que tú estés cenando a mi lado. ¿Estás de acuerdo?”. Él asintió emocionado mientras se tragaba el último tomate.

De manera similar, el gas en la atmósfera de una estrella es relativamente frío, es decir, está hambriento por un poco de luz. Está listo para tragarse un fotón en cuanto lo encuentre. Pero también tiene un gusto particular. El hidrógeno o el sodio, por ejemplo, elegirán fotones específicos del espectro. Al hidrógeno le gustan los fotones en la parte roja del espectro, mientras que el sodio prefiere los fotones de la parte amarilla. Gracias a experimentos de laboratorio conocemos el gusto específico de cada elemento, tal como yo se que a tí te gustan los tomates. Así, podemos identificar qué elementos están presentes en la atmósfera de una estrella simplemente mirando qué fotones faltan en el espectro, o dónde se ubican las bandas oscuras.

La evidencia forense química

El gusto que tiene cada elemento por cierto tipo de fotón es tan único como una huella digital, no hay forma de confundirlos. Cada elemento químico presente en una atmósfera estelar está compuesto por átomos, formados a su vez por núcleos orbitados por electrones. Un electrón es como un bandolero: cuando encuentra un fotón con exactamente la cantidad de energía que necesita para saltar a otro nivel energético, se roba el fotón y se pone muy agitado. El fotón con esa energía en particular desaparece. Esto causa una disminución en la intensidad de la luz, o una línea oscura en el espectro. Mientras más oscura sea la línea en una cierta longitud de onda, más alta es la concentración del elemento que se “roba” estos fotones. Así, la evidencia forense no solo identifica el elemento, también lo cuantifica.

El culpable escondido

A veces surgen problemas. Observamos una cierta estrella y encontramos cosas que no nos esperábamos. Por ejemplo, observamos una estrella que sabemos que no es lo suficientemente madura como para que ya haya formado bario. ¡Pero vemos que los fotones que le gustan al bario han desaparecido del espectro! ¿De dónde vino ese bario presente en la estrella? Sospechamos que puede ser un caso de contaminación: la estrella lo puede haber adquirido de una estrella vecina de mayor edad. Esto indica la presencia de una compañera escondida, compartiendo su material con la estrella que estamos estudiando.

Otras veces encontramos una cantidad desconcertante de nitrógeno, por ejemplo. Esto nos lleva a reconsiderar las teorías en las que se basan nuestros modelos, y a refinarlas para hacer predicciones más precisas. A menudo nos damos cuenta de que nuestros modelos eran demasiado simples. Por ejemplo, la rotación de las estrellas complica la situación de manera inesperada. Esta comparación entre predicciones y observaciones es una herramienta poderosa para poder mejorar nuestro entendimiento de cómo evolucionan las estrellas. Aún así, en algunos casos observamos excesos o faltas de ciertos elementos químicos que no sabemos cómo explicar. Esos casos los llamamos “estrellas peculiares”.

“A ti te interesa el pasado de la humanidad”, le dije a mi amigo, “y a mi me interesa el pasado de las estrellas. Estudiando la composición química de distintas poblaciones estelares en la Vía Láctea, construimos una historia de la formación estelar a lo largo de toda nuestra galaxia”.

Terminé mi historia cuando estaban sirviendo queso y fruta, por supuesto que con oporto, el cual nunca falta en las cenas formales de Cambridge. “Pero, espera, ¿por qué solo las estrellas maduras pueden formar elementos como el bario?”, quiso saber mi acompañante. “Eso, mi amigo, es una historia para otra larga cena”.

Traducido al español por Francisca Concha-Ramírez.

Francisca Concha-Ramírez es chilena, astrónoma y científica en computación. Actualmente cursa un doctorado en astrofísica computacional en la Universidad de Leiden, en los Países Bajos.

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