martes, 5 de octubre de 2010

Cuerpo Negro

Uno de los mayores triunfos en la física a sido el desarrollo de la cosmología moderna que tiene su centro en el modelo del Big Bang. Es fácil entender como el desarrollar el modelo del Big Bang es algo muy relevante, vamos, el tener una buena noción del origen del universo no es poca cosa. Pero existe una pequeña e impresionante historia de triunfo de la física del siglo XX (una de miles en la historia de la ciencia), la historia del descubrimiento de la radiación cósmica de fondo. Pero para entender lo importante de este suceso, veamos primero lo que el la radiación de cuerpo negro.



Ley de Wien (arriba), y gráficas de la distribución de energía (abajo) predichas por esta ecuación. Como se ve, mientras mas caliente (la "K" es de grados Kelvin, una medida de temperatura muy usada en física, 0 °C son 273 °K) mayor es la intensidad de la radiación y menor la longitud de onda (es el número del eje horizontal), es decir mas hacia el azul.


En 1862 Gustav Kirchhoff postuló un modelo matemático de un cuerpo que absorbe por completo cualquier radiación que incida sobre él. A grandes rasgos, esto es el modelo del cuerpo negro. Imaginen un cuerpo, un objeto tal que absorba la totalidad de cuanta luz, ondas de radio, infrarrojo, ultravioleta, rayos X, rayos Gama, etc caiga en su superficie. A este cuerpo le llamamos "negro" por el hecho de no reflejar nada de radiación, pero sin embargo al absorber tanta energía se calentará y emitirá radiación debido a esa temperatura alcanzada. La forma en la que dicha radiación, es decir, que tanta y de que tipo es emitida fue algo que no se entendió bien hasta el desarrollo de la mecánica cuántica y en particular el trabajo de Plank, ya entrado el siglo XX. Pero es de particular utilidad un resultado relacionado y que se obtiene de la teoría de cuerpo negro; la ley de desplazamiento de Wien, la que nos dice de que longitud de onda será el pico de intensidad de la radiación que emite un cuerpo a una temperatura dada. Si recuerdan el espectro electromagnético se divide en regiones según la longitud de onda, un rango para la "luz visible", seguido de un lado del infrarrojo y del otro por el ultravioleta y así continúa hasta llegar en el extremo de las ondas mas largas a la región de radio y el extremos de las mas cortas a los rayos Gama.

Así que con la Ley de Wien, puedo saber de que longitud de ondas será algún objeto que yo caliente (asumiendo que se porte como cuerpo negro) o de la misma forma puedo medir su radiación (luz) y con la misma ley determinar cuál es su temperatura (¿nunca se preguntaron como se sabía en astronomía la temperatura de las estrellas y otros cuerpos? con la ley de Wien). Así que si a una estrella la observo de forma que pueda determinar en que longitud de onda emite mas luz (tomando el espectro o fotografías en ccd con filtros adecuados), podré determinar su temperatura. Esto es obviamente muy útil en astronomía estelar, pero regresemos al Big Bang.


Diagrama HR, es una forma de acomodar las estrellas según su temperatura, color y brillo, es un ejemplo del uso del Modelo del Cuerpo Negro en Astronomía.

Resulta que una de las cosas que mas trabajo cuesta a los científicos, cuando desarrollan una teoría o modelo es el encontrar una forma de hacer un experimento (o en el caso de la astronomía, una observación) que lo pruebe o refute. Cuando se desarrollo el modelo del Big Bang lo mas obvio a buscar fue el calor residual de tan violento evento. Es decir, según los cálculos hechos, el calor del Big Bang debería percibirse aun en nuestros días. Si bien esto sucedió hace mucho tiempo (aproximadamente 13 mil millones de años)aunque ya considerablemente frío. Para entender esto, imaginen que se presenta un evento violento, digamos al explosión de un cartucho de dinamita(niños, no simulen el Big Bang en casa), momentos después de la explosión los restos del cartucho estarán aún tibios. Y ya que el Big Bang sucedió en TODO el universo ese calor debe de sentirse en cualquier dirección. Calcularon a que temperatura se vería ahora el residuo del Big Bang y resulto que son casi 3° K (grados Kelvin) y usando la ley de Wien (el universo se comporta como un cuerpo negro) vieron que la temperatura correspondía a la zona de microondas del espectro. Cuando en 1965 Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson exploraron el cielo con una antena adecuada, encontraron esa radiación de fondo (y se ganaron el premio Novel por ello). De aquí el nombre de Radiación Cósmica de Fondo a ese fondo de microondas que permea el espacio en todas direcciones.


Distribución de la Radiación Cósmica de Fondo, es decir el calor del Big Bang, tomado por el satélite COBE, es similar a la primer gráfica, pero con T=3K.

Así que tenemos que el modelo del cuerpo negro es muy importante y útil en la física y en el caso de nuestro entendimiento del origen del universo fue una herramienta fundamental.

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