Curso de Radioastronomía básica de Jet Propulsion Laboratory (JPL). Capítulo 3

Los mecanismos de las Emisiones Electromagnéticas

Objetivos: Una vez completado este capítulo, podrá describir la diferencia entre radiación termal y no termal y dar algunos ejemplos de cada uno. Podrá distinguir entre curvas de radiación termales y no termales. Podrá describir la importancia de la línea de hidrógeno de 21 cm en radioastronomía.

Si el material en este capítulo no es familiar para ud. no se desaliente si no entiende todo la primera vez. Algunos de estos conceptos son un poco complicados y pocos no-científicos tienen conciencia de estos conceptos. Sin embargo, al irse familiarizando, hará que sus actividades radio astronómicas sean mucho más interesantes y significativas.

¿Qué causa una emisión de radiación electromagnética en diferentes frecuencias? Afortunadamente para nosotros, estas diferencias de frecuencia, junto con otras pocas propiedades que podemos observar, nos dan mucha información sobre la fuente de la radiación, como también el medio por el cual ha viajado.

La radiación electromagnética es producida tanto por mecanismos termales o no termales.

Algunos ejemplos de radiación termales son:

- Emisiones de espectro continuo, relacionadas con la temperatura del objeto o material.
- Emisiones de frecuencia específica del hidrógeno neutral y otros átomos y moléculas.

Algunos ejemplos de emisiones no termales son:

- Emisiones debidos a la radiación Sincrotrón.
- Emisiones amplificadas debido a másers astrofísicos.

Radiación Termal

¿Sabía que cualquier objeto que contenga alguna energía de calor emite radiación? Cuando está acampando,  si pone una gran piedra en la fogata por un tiempo, y luego la saca, la roca emitirá la energía que fue absorbida como radiación, que puede sentir como calor si mantiene su mano a unos centímetros cerca. Los físicos llamarían a la piedra un “Cuerpo negro” porque absorbe toda la energía que alcanza, y luego emite la energía en todas las frecuencias (aunque no igualmente) al mismo rango que absorbe energía.

Toda la materia en el universo conocido se comporta de esta manera.

Algunos objetos astronómicos emiten mayormente radiación infrarroja, otros mayormente luz visible, otros mayormente radiación ultravioleta. La única mayor propiedad de los objetos que determina su radiación que emiten es su temperatura.

En los sólidos, las moléculas y átomos están vibrando continuamente. En un gas, las moléculas se mueven a toda velocidad, continuamente chocando entre ellas. Cualquiera sea la cantidad de movimiento molecular en la materia, la velocidad está relacionada con la temperatura. Mientras más caliente sea el material, más rápido se mueven o vibran sus moléculas.

La radiación electromagnética es producida cada vez que las cargas eléctricas se aceleran – eso es, cuando hayan cambiado tanto su velocidad o dirección en su movimiento. En un objeto caliente, las moléculas están continuamente vibrando (si es sólido) o chocando entre si (si es líquido o gas), lanzándose hacia afuera en diferentes direcciones y en diferentes velocidades. Cada una de estas colisiones produce radiación electromagnética en frecuencias a través de todo el espectro electromagnético. Sin embargo, la cantidad de radiación emitida en cada frecuencia (o banda de frecuencia) depende de la temperatura del material que produce la radiación.

Resulta que mientras más corta sea la longitud de onda (o mayor su frecuencia), más energía transporta la radiación. Cuando estás afuera en un dia soleado y tu piel comienza a sentirse caliente, ese calor no  es lo que debe preocuparte si tu piel se quema fácilmente. La mayoría del calor que sientes es el resultado de la radiación infrarroja golpeando la superficie de tu piel. Sin embargo, es la frecuencia más alta – y más alta energía – de radiación ultravioleta que penetra la superficie de la piel, que estimula las capas más profundas para producir melanina que da esa tonalidad bronceada – o una fea quemazón. Los rayos X, que están a mayores frecuencias, tienen suficiente energía para pasar a través de la piel y otros tejidos suaves. Así es como se pueden revelar los huesos y tejidos blancos de variadas densidades con los sistemas de escaneos usadas en medicina.

Cualquier materia que esté calentada sobre el cero absoluto genera energía electromagnética. La intensidad de la emisión y la distribución de frecuencias del espectro electromagnético dependen de la temperatura de la materia emisora. En teoría, es posible detectar energía electromagnética en cualquier objeto en el universo. Las estrellas visibles irradian una gran cantidad de energía electromagnética. Mucha de la energía tiene que estar en la parte visible del espectro – de otro modo no serían estrellas visibles! Parte de la energía tiene que estar en parte del espectro de microondas (onda de radio corta) y esa es la parte que los astrónomos estudian usando radio telescopios.

Características de los Cuerpos Negros

Tienen las siguientes características:

1. Un cuerpo negro con una temperatura mayor al cero absoluto emite cierta energía en todas las longitudes de onda.

2. Un cuerpo negro a temperaturas más altas emite más energía en todas las longitudes de onda que las más frias.

3. Mientras más alta la temperatura, más corta es la longitud de onda en la cual la energía máxima es emitida.

Para ilustrar, en un escenario con menor temperatura, un hornilla en una cocina eléctrica emite radiación infrarroja, la cual es transferida a los otros objetos (tales como ollas y comida) mientras se calienta. A una temperatura más alta, también emite luz roja (frecuencia más baja dentro del rango de luz visible). Si el circuito eléctrico pudiera entregar suficiente energía, mientras la temperatura se incrementa más allá, el quemador se volvería amarillo, o incluso azul-blanco.

El sol y otras estrellas pueden (para la mayoría de los casos) ser considerados cuerpos negros. Asi que podemos estimar temperaturas de estos objetos basados en las frecuencias de radiación que emiten,en otras palabras, de acuerdo a su espectro electromagnético.

En cuanto a la radiación producida por mecanismos térmicos, la siguiente tabla da algunos ejemplos de rangos de longitud de onda, las temperaturas de la materia emisora en ese rango, y algunos ejemplos de fuentes tales como la radiación térmica.

Mientras más caliente el objeto, más corta es la longitud de onda de la radiación que emite. De hecho, a altas temperaturas, se emite más energía en todas las longitudes de onda. Pero el punto más alto, o peak de energía es irradiado a longitudes de onda más cortas para temperaturas más altas. Esta relación es conocida como La Ley de Wien.

Un rayo de radiación electromagnética puede ser estimado como una corriente de pequeños paquetes de energía llamados fotones. La Ley de Planck dice que la energía transportada por un fotón es directamente proporcional a su frecuencia. Para llegar al valor de energía exacta, la frecuencia es multiplicada por la constante de Planck, la cual puede ser encontrada experimentalmente en 6.625 x 10^-27 erg seg. (la erg es la unidad de energía).

Si sumamos las contribuciones de todas las partes del espectro electromagnético, obtenemos el total de energía emitida por el cuerpo negro sobre todas las longitudes de onda. La energía total, emitida por segundo por metro cuadrado por el cuerpo negro en una temperatura dada es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Esta relación es conocida como La Ley Stefan – Boltzmann. Si el sol, por ejemplo, fuera dos veces tan caliente de lo que es al mismo tamaño, eso es, si su temperatura fuera de 11.600K, podría irradiar 2^4, o 16 veces más energía de lo que hace ahora.

La densidad de flujo de la radiación es definida como la energía recibida por unidad de área y por unidad de frecuencia de ancho de banda. Los astrónomos también consideran la luminosidad de la radiación, el cual es un cálculo matemático más preciso de la energía recibida por unidad de área, para una frecuencia de ancho de banda en particular, y también considerando el ángulo de incidencia en la superficie medida (en todas sus frecuencias) y asi, la temperatura es relacionada con el objeto emisor y la longitud de onda de la radiación recibida.

La variación de brillo con frecuencia se llama espectro de brillo. El poder espectral es la energía observada por unidad de tiempo para un ancho de banda con una frecuencia específica.

Una gráfica de un espectro de brillo muestra su luminosidad de la radiación recibida de una fuente y varía por frecuencia y longitud de onda. En la trama inferior, se muestra la luminosidad de los cuerpos negros en variadas temperaturas en la escala vertical y la longitud de onda se muestra en la escala horizontal.

Lo más importante que cabe destacar sobre estas gráficas es que las curvas nunca se cruzan entre si. Por tanto, en cualquier frecuencia, hay sólo una temperatura para cada brillo. Asi que, si puede medir la luminosidad de la energía en una frecuencia dada, se sabrá la temperatura del objeto emisor!

A pesar de sus temperaturas, no todas las estrellas visibles son emisoras de radio frecuencias. Podemos detectarlas sólo:

- Si emiten bajo mecanismos no-térmicos (descritas a continuación) o
- Si estan en nuestro sistema solar (eso es, nuestro sol) o
- Si hay gas más allá de la estrella del cual está emitiendo (por ejemplo, un viento estelar).

El resultado, es que las estrellas más calientes y más brillantes emiten más energía a frecuencias sobre el rango visible que las que están bajo estas. Tales estrellas son conocidas por su radiación atómica y de rayos X. Sin embargo, los generadores termales intensos tales como nuestro propio sol emiten suficiente energía en las frecuencias de radio para hacerlos buenos candidatos para los estudios radioastronómicos. La Vía Láctea emite radio energía tanto termal como no termal, dando a los radioastrónomos una rica variedad de información para ponderar.

Nuestras observaciones de radiación de origen termal tienen dos características que pueden ayudar a distinguirlas de otros tipos de radiación. La radiación termal reproduce en un altavoz un silbido estático puro y la energía de la radiación de origen termal comunmente se incrementa con la frecuencia.

Emisiones continuas de Gas Ionizado.

La radiación de cuerpos negros termales también es emitida por gases. Los plasmas son gases ionizados y son considerados un cuarto estado de la materia, luego de los estados sólido, líquido y gaseoso. De hecho, los plasmas son la forma de materia más común en el universo conocido (constituyendo hasta el 99% de ella!) ya que ocurren dentro de las estrellas y del gas interestelar. Sin embargo, que ocurran plasmas naturales en la Tierra es algo muy raro ya que las temperaturas no son suficientes para producir el grado de ionización necesaria. El destello de un rayo o el resplandor de la aurora borealis son ejemplos de plasmas. Pero más allá de la atmósfera de la Tierra está el plasma abarcando la radiación del cinturón Van Allen y el viento solar.

Un átomo en un gas se ioniza cuando otro átomo lo bombardea con suficiente energía para noquear al electrón, así dejando un ión positivamente cargado y un electrón negativamente cargado. Una vez separados, las partículas cargadas tienden a recombinarse con sus opuestos en un rango dependiente en la densidad de los electrones. Nuevamente, la energía cinética de los átomos colisionados tienden a separarlos en un electrón e ión positivo, haciendo el proceso continuamente indefinido. El gas siempre tiene alguna porción de átomos neutrales ionizados.

Mientras se mueven las partículas cargadas, pueden generar concentraciones locales de cargas positivas o negativas, el cual eleva campos magnéticos o eléctricos. Estos campos afectan el movimiento de otras partículas cargadas a distancia. Un gas ionizado se convierte en plasma Cuando suficientes átomos están ionizados para que el gas muestre su comportamiento colectivo.

Cada vez que una gran cantidad de iones libres y cargados opuestamente coexistan en un espacio relativamente pequeño, la combinación de sus reacciones puede agregar una radiación de radio frecuencia ancha, intensa y continua. Tales condiciones prevalecen alrededor de estrellas, nebulosas, cúmulos de estrellas, e incluso planetas, como Júpiter siendo al menos uno que conocemos.

Emisiones de Lineas espectrales de átomos y moléculas

Mientras el mecanismo detrás de las emisiones de energía termales de los gases ionizados involucra a los electrones separándose de los átomos, las emisiones lineales del hidrógeno neutral y otros átomos y moléculas
involucra los estados de energía cambiantes de los electrones dentro del átomo, emitiendo un fotón de energía en una longitud de onda característica de ese átomo. Así, el mecanismo de radiación es llamado linea de emisión, en vista que la longitud de onda de cada átomo ocupa una discreta “linea” en el espectro electromagnético.

En el caso de átomos de hidrógenos neutrales (no ionizados), en su estado más bajo de energía, el protón y el electrón giran en direcciones opuestas. Si el átomo de hidrógeno adquiere una leve cantidad de energía al colisionar con otro átomo o electrón, el giro del protón y el electrón en el átomo de hidrógeno se pueden alinear, dejando el átomo en un estado un poco más excitado. Si el átomo después pierde esa cantidad de energía, vuelve a su estado base. La cantidad de energía perdida es aquella asociada con el fotón de 21.11 cm de longitud de onda (frecuencia 1428 MHz).

El hidrógeno es el elemento clave en el Universo. En vista que es el componente principal del gas interestelar, frecuentemente se analiza una región de espacio interestelar en vista de si su hidrógeno es neutral, en tal caso lo llamamos una región HI, o si es ionizada, se llama una región H II.

Algunos investigadores involucrados en la búsqueda de inteligencia extraterrestre han razonado que otras especies inteligentes pueden usar esta emisión de onda con longitud de onda universal de 21 cms en el hidrógeno neutral para codificar un mensaje; de esta forma, estos investigadores han sintonizado sus antenas especificamente para detectar modulaciones en esta longitud de onda. Pero, las observaciones de esta longitud nos han dado mucha más información sobre el medio interestelar y sus ubicaciones y la extensión del frío gas interestelar.

Recapitulación

1. Un objeto que absorbe y re-emite toda su energía que le llega sin ningún reflejo es un __________________
2. La radiación del cuerpo negro desde un objeto caliente es (más azul/ más rojo) __________________ que la radiación del cuerpo negro de un objeto más frio.
3. Mientras más caliente el objeto, más ______________ es la longitud de onda del rango peak de la radiación emitida por el cuerpo negro.
4. La Ley de Planck dice que la cantidad de energía transportada por un fotón es directamente proporcional a su  ___________________.
5. La cantidad total de energía en todas las longitudes de onda emitidas por un cuerpo negro, por metro cuadrado por segundo, es proporcional al ____________________ potencia de su temperatura absoluta.
6. Una gráfica del espectro de brillantez muestra la luminosidad de radiación recibida de una fuente en varias ______________________ o ______________.
7. La radiación electromagnética de los cuerpos negros, gas ionizado y las lineas de emisión de los átomos y moléculas pueden todas ser generadas por mecanismos ________________________.
8. Los gases ionizados y calientes se llaman ______________________.
9. Las longitudes de onda de 21.11 cms están asociados con las lineas de emisión termal del ___________________
10.Debido a que las curvas del cuerpo negro no se cruzan, si tu sabes la luminosidad de un cuerpo negro en una frecuencia dada, también podrás conocer su ___________________.

Para más estudio:

• Thermal radiation: Kaufmann, 84-89.
• Wien’s Law and Stefan-Boltzmann Law: Kaufmann, 87-88, 197; Wynn-Williams,
28, App. G and H.
• Planck’s constant: Wynn-Williams, 12.
• Plasmas: Wynn-Williams, 43-54.
• Spectral line emissions: Kaufmann, 90-96; Morrison et al., 112-120.
• 21-cm emission line from neutral hydrogen: Kaufmann, 460; Wynn-Williams, 30-42.

Respuestas:

1. Cuerpo negro
2. Más azul
3. Más corto
4  Frecuencia
5. cuarta
6. Longitudes de onda, frecuencias
7. Termal
8. Plasmas
9. Hidrógeno neutral
10.Temperatura

Traducción: Tiare Rivera

Link Original: http://www2.jpl.nasa.gov/radioastronomy/

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Mecanismos No-Térmicos
Traducción: Consuelo González

La radiación también es producida por mecanismos no relacionados a la temperatura del objeto (esto es, radiación térmica). Aquí hablaremos de algunos ejemplos de radiación no-térmica.

Radiación Sincrotrón

A pesar del gran número de fuentes de emisiones térmicas, mucha de la radiación de nuestra propia galaxia, particularmente la radiación de fondo descubierta por Jansky, y la mayor parte de las provenientes desde otras galaxias, son de origen no-térmico. El principal mecanismo detrás de este tipo de radiación no tiene que ver con la temperatura, sino más bien con el efecto de las partículas cargadas que interactúan con los campos magnéticos. Cuando una partícula cargada entra en un campo magnético, el campo la obliga a moverse en una trayectoria circular o espiral alrededor de las líneas de fuerza magnética. La partícula es, por lo tanto, acelerada e irradia energía. Bajo condiciones no-relativistas (es decir, cuando las velocidades de las partículas están por debajo de la velocidad de la luz), esta radiación ciclotrón no es lo suficientemente fuerte como para tener mucha importancia astronómica. Sin embargo, cuando la velocidad de la partícula llega a casi la velocidad de la luz, emite una forma de radiación ciclotrón mucho más fuerte llamada radiación sincrotrón.

Los quásares (que se describen en el capítulo 6) son una fuente de radiación sincrotrón, no sólo en longitudes de onda de radio, sino que también en longitudes de onda visibles y de rayos X.

Una diferencia importante entre la radiación térmica versus los mecanismos no-térmicos es que, mientras la intensidad (energía) de la radiación térmica aumenta con la frecuencia, la intensidad de la radiación no-térmica por lo general disminuye.

Máseres

Los máseres astronómicos son otra fuente de radiación no-térmica. “Maser” es la abreviatura en ingles de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en español, amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación). Los máseres son sitios muy compactos dentro de las nubes moleculares en donde la emisión de ciertas líneas pueden ser enormemente amplificadas. El medio interestelar contiene sólo un puñado de especies de moléculas tales como el agua (H2O), los radicales del hidroxilo (OH), el monóxido de silicio (SiO) y el metanol (CH3OH). Normalmente, debido a la escasez de estas moléculas, sus emisiones de línea serían muy difíciles de detectar con cualquier instrumento a una resolución muy cruda. Sin embargo, a causa del fenómeno de “Masing” (amplificación por estimulación), ¡estas nubes pueden ser detectadas en otras galaxias!

En términos simples, el “masing” se produce cuando las nubes de estas moléculas se encuentran con un campo de radiación intensa, como el de una fuente cercana en una estrella luminosa, o cuando colisionan con las moléculas de H2 que son mucho más abundantes. La llamada “inversión de población” se produce cuando hay más moléculas en un estado excitado (es decir, cuando sus electrones han “saltado” a un nivel superior de energía) que aquellas que se encuentran en un estado fundamental estable. Este fenómeno es denominado bombeo. Como la radiación causa que el bombeo viaje a través de la nube, el rayo original es amplificado exponencialmente, emergiendo en la misma frecuencia y fase, pero enormemente amplificado. Algunos máseres emiten tan poderosamente como las estrellas!   Este fenómeno está relacionado con aquel de las emisiones de línea espectral, que se explican en el Capítulo 4.

Por cierto, este mismo principio es utilizado en un dispositivo llamado amplificador de máser, el cual es instalado como elemento en algunos radiotelescopios (aunque no en el Goldstone Apple Valley Radio Telescope) para amplificar la señal recibida por la antena.

Recapitulación

1.- La __________________ es un mecanismo de radiación no-térmica que produce radiación electromagnética mediante la aceleración de partículas cargadas en un campo magnético a una velocidad cercana a la de la luz.

2.- La intensidad de la radiación no-térmica a menudo ____________________ con la frecuencia.

3.- En el medio interestelar, las áreas dentro de las nubes de moléculas en que la radiación que pasa a través de éstas es enormemente amplificada se llaman _______________ astronómicos.

1. Radiación Sincrotrón.
2. Disminuye.
3. Máseres.

Para más estudio:

Synchrotron radiation: Wynn-Williams, 104, 108.

Masers: Kaufmann, 378-379; Wynn Williams, 95-97.

Tags: Jet Propulsion Laboratory, JPL, radioastronomia, radioastronomy

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