Luz del cosmos: cómo vemos y entendemos nuestro universo

Desde nuestros orígenes, la humanidad ha evolucionado bajo la influencia constante de la luz solar, desarrollando mecanismos biológicos que han permitido a nuestros ojos resistir su intensidad y también hemos aprendido a aprovechar su energía. Sin embargo, más allá de su papel en la vida cotidiana, la luz ha revelado ser mucho más que una fuente de calor o iluminación. El estudio detallado de sus propiedades —su velocidad, su comportamiento ondulatorio y corpuscular, su interacción con la materia— ha transformado profundamente nuestra manera de concebir el universo. A través de la luz, aprendimos a medir distancias cósmicas, descubrir nuevos planetas, estudiar la expansión del cosmos y cuestionar los límites de la física.

¿Qué es la luz?

Lo que llamamos “luz” es en realidad solo una pequeña parte de un fenómeno mucho más amplio conocido como el espectro electromagnético. Este espectro incluye todos los tipos de radiación electromagnética: ondas que transportan energía a través del espacio. Lo curioso es que nuestros ojos solo pueden ver una pequeña franja de ese espectro: el llamado rango visible, que va del violeta al rojo.

Más allá del rojo, en un lado del espectro electomagnético, se encuentran las ondas infrarrojas, que usamos, por ejemplo, en controles remotos y cámaras térmicas. Del otro lado se encuentra el violeta y las ondas ultravioletas, responsables de los bronceados y de las quemaduras solares. Pero hay mucho más: las microondas calientan tu comida, las gigantescas ondas de radio permiten las transmisiones de radio y televisión, mientras los rayos X y rayos gamma revelan los procesos más extremos del universo, como explosiones estelares o el comportamiento de los agujeros negros.

Así, la luz que vemos no es más que una fracción de una sinfonía de ondas que componen el universo, muchas de las cuales solo podemos detectar con instrumentos científicos. Entender la luz como parte del espectro electromagnético nos abre una ventana para explorar el cosmos más allá de lo que nuestros ojos pueden ver.

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El espectro electromagnético en la astronomía

Muchos objetos astronómicos emiten luz en distintas frecuencias del espectro electromagnético. Desde los objetos más cercanos como las estrellas, hasta la luz primigenia del universo.

Estrellas

Son esferas gigantes de gas, principalmente hidrógeno y helio, que emiten luz y energía debido a reacciones de fusión nuclear en su núcleo. Estas reacciones convierten hidrógeno en helio,¹ liberando enormes cantidades de energía que las hace brillar durante millones o incluso miles de millones de años. Su luz en el espectro electromagnético es:

• Visible: la mayoría de las estrellas, como el Sol, emiten principalmente en luz visible, ya que sus temperaturas superficiales (alrededor de 5,000 a 6,000 K) hacen que su brillo máximo se encuentre en ese rango.
• Ultravioleta: las estrellas más calientes, como las de tipo O y B, superan los 20,000 K y emiten gran parte de su energía en el ultravioleta, ionizando el gas circundante y marcando regiones activas de formación estelar.
• Infrarrojo: algunas estrellas como las enanas rojas, tienen temperaturas por debajo de 4,000 K y emiten radiación sobre todo en el rango del infrarrojo, lo que permite estudiarlas incluso cuando están ocultas por polvo interestelar.

Agujeros negros

Son regiones del espacio donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellas. Se forman generalmente cuando una estrella muy masiva colapsa al final de su vida.² Aunque no pueden observarse directamente, su presencia se detecta por los efectos que causan en su entorno, como la atracción de materia o la emisión de radiación en su vecindad. Los agujeros negros emiten principalmente en los siguientes rangos del espectro electromagnético:

• Rayos X: cuando un agujero negro atrae materia de su vecindad, la materia se calienta alcanzando millones de grados. Como resultado, emite fuertemente radiación en rayos X.
• Radio: algunos agujeros negros, en especial los supermasivos en los centros de galaxias, generan potentes chorros relativistas (o llamados jets, en inglés) que expulsan partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Estos chorros pueden emitir radiación intensa en ondas de radio.
• Óptico, Ultravioleta e Infrarojo: aunque los agujeros negros en sí no emiten luz, la materia que los rodea puede brillar en estos rangos del espectro. Por ejemplo, en sistemas binarios, la interacción entre el agujero negro y su estrella compañera puede producir emisiones en el rango visible, así como en ultravioleta e infrarrojo.

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Nebulosas

Son enormes nubes de gas y polvo en el espacio, que pueden ser tanto el lugar de nacimiento de nuevas estrellas como los restos que dejan las estrellas al morir. Algunas, como las nebulosas de emisión, brillan por la luz que emiten debido a la energía de estrellas cercanas, mientras que otras, como las nebulosas oscuras, se observan como siluetas al bloquear la luz de objetos del fondo. Son estructuras clave para entender los ciclos de vida estelares y la evolución del medio interestelar.³

• Radio e Infrarrojo: las nebulosas de formación estelar (como Orión) emiten mucho en estas frecuencias debido al polvo caliente y al gas. En particular, se puede detectar en el infrarrojo la radiación térmica del polvo caliente, y en ondas de radio las transiciones de moléculas presentes en las regiones más frías de las nebulosas.
• Visible: muchas nebulosas emiten luz visible debido a procesos de recombinación y excitación de átomos en su interior. En particular, el hidrógeno y el oxígeno presentes en el gas interestelar de las nebulosas producen emisión en el rango visible.
• Ultravioleta: las nebulosas que contienen estrellas jóvenes, calientes y masivas son particularmente brillantes en el ultravioleta, ya que estas estrellas emiten enormes cantidades de radiación UV, que es absorbida por el gas circundante y lo ioniza.

Galaxias

Son enormes conjuntos de estrellas, gas, polvo, materia oscura y energía, unidos por la gravedad. Pueden contener desde millones hasta billones de estrellas, además de estructuras complejas como cúmulos estelares y brazos espirales. Existen diversos tipos de galaxias, como espirales, elípticas e irregulares.⁴ Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es solo una entre cientos de miles de millones en el universo observable. Estudiar las galaxias permite entender cómo se forman y evolucionan las estructuras cósmicas a lo largo del tiempo.

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• Radio: algunas galaxias, especialmente las que tienen núcleos galáctico activos (AGN), emiten intensamente en ondas de radio debido a los chorros relativistas que expulsan partículas a gran velocidad desde las cercanías de un agujero negro supermasivo.
• Infrarrojo: las galaxias con alta tasa de formación estelar, como las galaxias infrarrojas luminosas (LIRGs), emiten fuertemente en el infrarrojo, ya que el polvo interestelar calienta y reemite la luz de las estrellas jóvenes en estas frecuencias.
• Rayos X y gamma: en procesos muy energéticos, como los que ocurren en AGN, colisiones de galaxias o explosiones estelares extremas, pueden generar emisión en rayos X y gamma, revelando regiones activas y violentas del universo.

Cúmulos de galaxias

Son enormes estructuras cósmicas que agrupan cientos o miles de galaxias unidas por la gravedad. Además de galaxias, contienen grandes cantidades de gas caliente y materia oscura, y son algunos de los objetos más masivos y evolucionados del universo.⁵ Estos cúmulos son importantes para estudiar la formación y evolución de galaxias, así como la distribución de la materia en el cosmos.

• Rayos X: el espacio entre las galaxias de un cúmulo está lleno de gas extremadamente caliente (a millones de grados), que emite rayos X de forma intensa. Esta emisión permite estudiar la masa y la distribución del gas dentro del cúmulo.
• Radio: algunos cúmulos muestran emisión en radio debido a electrones que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz y que se mueven en campos magnéticos presentes en las regiones internas del cúmulo.

Radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB)

Es la radiación residual que quedó del Big Bang, presente en todo el universo como un débil resplandor de microondas. Representa la primera luz que pudo viajar libremente tras la recombinación de protones y electrones, hace unos 13.800 millones de años, y contiene información clave sobre las condiciones iniciales y la evolución temprana del cosmos.⁶

• Microondas: el CMB se observa principalmente en el rango de las microondas. Esta radiación es una señal térmica que proviene del universo temprano, cuando tenía una temperatura de aproximadamente 270 grados bajo cero centígrados (alrededor de 2.7 K).
• Infrarrojo: aunque el CMB se detecta principalmente en frecuencias de microondas, también se estudian sus señales en el infrarrojo para diferenciarlo de otras fuentes de radiación, como la emisión de polvo en nuestra propia galaxia. Ya ha sucedido que se malinterpreta una señal del CMB, confundiéndola con polvo galáctico.⁷

Viajes a través del espacio y del tiempo: Ver el pasado

La luz en el vacío viaja a 299,792,458 metros por segundo.⁸ Esta velocidad es una constante fundamental de la naturaleza y un límite insuperable: los trabajos de Einstein muestran que nada puede viajar más rápido que la luz.⁹ Además de ser un límite, la luz es una herramienta única para medir el cosmos: al ser su velocidad constante, los astrónomos la utilizan para calcular distancias enormes, de modo que cuando decimos que un objeto está a un millón de años luz, significa que su luz ha viajado un millón de años hasta llegar a nosotros.

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Como a la luz le toma tiempo viajar desde lugares tan lejanos en el universo hasta nosotros, decimos que al mirar una estrella estamos mirando al pasado. A lo mejor estamos viendo la luz de una estrella que explotó hace millones de años, pero esa luz lejana apenas está llegando a nuestros ojos.

Detectando luz: cómo captamos los mensajes del cosmos

La exploración del universo ha sido posible gracias al desarrollo de instrumentos astronómicos que captan distintas frecuencias del espectro electromagnético. Los telescopios ópticos, como los clásicos Galileo y Hubble, permiten observar la luz visible emitida por estrellas y galaxias, revelando su forma, brillo y color. Sin embargo, muchos fenómenos cósmicos emiten radiación fuera del rango visible, lo que ha llevado a la construcción de telescopios especializados.

Los radiotelescopios, como los del conjunto ALMA en Chile,¹⁰ detectan ondas de radio emitidas por regiones frías del espacio, como nubes de gas interestelar y pulsares. Por otro lado, los telescopios infrarrojos, como el James Webb Space Telescope (JWST),¹¹ son ideales para observar a través del polvo cósmico y estudiar el nacimiento de estrellas y galaxias en el universo temprano.

Observatorios y grandes Telescopios en México

México también cuenta con varios telescopios, tales como:

• Observatorio Astronómico Nacional San Pedro Mártir (OAN-SPM): Ubicado en Baja California, es uno de los observatorios más importantes de México.
• Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM): Situado en Puebla, es el telescopio de plato único y movible más grande del mundo para observaciones en longitudes de onda milimétricas. 
• Observatorio Astrofísico Guillermo Haro: En Cananea, Sonora, este observatorio alberga un telescopio de 212 cm de diámetro y es conocido por su conexión remota con otros observatorios y ciudades. 
• Observatorio de Tonantzintla (OAN-Tona): Parte del Observatorio Astronómico Nacional, se encuentra en Puebla y se enfoca en actividades de docencia y divulgación. 
• Centro Astronómico Clavius: Ubicado en la Universidad Iberoamericana en la Ciudad de México, ofrece visitas guiadas y observaciones públicas. 

Para fenómenos más extremos, se utilizan telescopios que operan en rayos X y rayos gamma, como el telescopio Chandra o el observatorio Fermi, que detectan la radiación de agujeros negros, supernovas y núcleos galácticos activos. Cada tipo de telescopio aporta una pieza al rompecabezas cósmico, revelando aspectos diferentes del mismo objeto o fenómeno. Un ejemplo emblemático del futuro de la astronomía es el Observatorio Vera C. Rubin. Este telescopio óptico de gran apertura realizará un censo sin precedentes del cielo nocturno, registrando cada pocas noches imágenes detalladas del hemisferio sur. Sus primeras imágenes fueron reveladas y son fascinantes. Acá te dejo una de mis imágenes favoritas:

Observar el universo en todo el espectro electromagnético es esencial para construir una imagen completa y precisa de su naturaleza. Cada rango de frecuencias —desde los rayos gamma hasta las ondas de radio— permite acceder a diferentes fenómenos físicos, ya que los procesos cósmicos no emiten luz de manera uniforme. Mientras algunas estructuras brillan intensamente en rayos X o ultravioleta debido a temperaturas extremas, otras solo se revelan en infrarrojo o radio, ya que se encuentran ocultas tras nubes de polvo o son demasiado frías para emitir luz visible.

Así, la luz juega un papel indispensable en la exploración del cosmos. Al estar anclados a la Tierra, solo podemos aprender del espacio estudiando la luz que viene de distancias y tiempos remotos. El estudio del espectro electromagnético no solo amplía nuestra capacidad de observación, sino que también enriquece nuestra comprensión sobre el origen, la evolución y la composición del universo.

1. NASA, “Star Basics”. ↩︎
2. Louise Lerner, “Black holes, explained”, octubre 2024. ↩︎
3. ESA, “Nebula”. ↩︎
4. Space Facts, “Galaxy Facts”. ↩︎
5. Center of Astrophysics. Harvard & Smithsonian, “Cúmulos de galaxias”. ↩︎
6. ESA, “Planck y el fondo cósmico de microondas”. ↩︎
7. Shannon Hall, “BICEP2 Was Wrong, But Publicly Sharing the Results Was Right”, 19 noviembre 2019. ↩︎
8. The 17th Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM), “Resolution 1 of the 17th CGPM (1983)”. ↩︎
9. George F. R. Ellis y Jean-Philippe Uzan, “c is the speed of light, isn’t it?”, 01 marzo 2005 ↩︎
10. Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, “Sobre ALMA, una primera mirada”. ↩︎
11. Webb Space Telescope, “Revelando el universo infrarrojo”. ↩︎