polarimetría astrofísica

El cielo nocturno parece tranquilo, pero en realidad partículas invisibles —los rayos cósmicos— nos atraviesan constantemente. Entre ellos hay electrones y sus antipartículas, los positrones. Cuando chocan con detectores en satélites o globos aerostáticos, los instrumentos registran su energía.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

La luz del comienzo del universo ha viajado hacia nosotros durante 13,8 mil millones de años. Durante ese tiempo, su polarización —la dirección de sus oscilaciones— podría haber sufrido un giro, como la aguja de una brújula que alguien gira imperceptiblemente. Los físicos llaman a este fenómeno birrefringencia cósmica.

Una linterna común emite luz cuyas ondas oscilan en todas las direcciones a la vez. Pero si se hace pasar la luz por un filtro especial, se obtiene un haz que oscila estrictamente en un solo plano: eso es la luz polarizada. Cuando este haz atraviesa un tejido biológico, la estructura interna de este modifica ligeramente la orientación de las oscilaciones.

En el centro de muchas galaxias giran peonzas cósmicas de increíble poder: los agujeros negros supermasivos. Su naturaleza fue descrita por primera vez por Schwarzschild justo después de que Einstein regalara al mundo la teoría de la relatividad general.

El universo resuena con silencio. La mayor parte de la materia — alrededor del 85% — permanece invisible, manifestándose solo a través de la gravedad. Vera Rubin ya demostró que las galaxias giran como si estuvieran envueltas en una masa invisible.

Un agujero negro no es solo una silueta oscura contra el fondo de estrellas. Su sombra está rodeada por un delgado anillo luminoso de fotones que dan vueltas alrededor del horizonte de sucesos antes de escapar hacia el observador.

En un sistema binario cercano, una estrella caliente, como un reflector, ilumina a su compañera más fría. Parte de la luz se dispersa en los electrones libres de su atmósfera —esto es dispersión Thomson— y adquiere polarización lineal.

Una peonza que gira tan rápido que hace que la luz a su alrededor se enrolle en espirales: una imagen acertada de lo que ocurre cerca del horizonte de un agujero negro. El plasma incandescente cae en él y emite ondas de radio. Su polarización (el plano en el que oscila la onda) se convierte en una flecha que señala la dirección del flujo de energía.

Las gigantes rojas son estrellas envejecidas e hinchadas. En su interior bulle un océano de plasma: el calor se abre paso desde el núcleo hacia la superficie, generando ondas parecidas a un potente oleaje. El campo magnético dentro de la estrella actúa como un relieve submarino invisible: dirige esas ondas, modifica su altura y velocidad.

Las ondas gravitacionales son el temblor del propio espacio-tiempo. Normalmente solo captamos su zumbido general, pero cada onda también tiene una dirección de oscilación: la polarización. Los mapas antiguos se construían solo con la intensidad de la señal, lo que provocaba errores.

El haz de una linterna se desliza sobre un vidrio irregular. El vidrio son los cúmulos masivos de galaxias, y la linterna es la luz antigua nacida poco después del Big Bang. Al pasar cerca de estos cúmulos, la luz no solo los rodea como el agua rodea una piedra.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, sacuden el propio tejido del espacio-tiempo. El nuevo gigante no se calma al instante: resuena como una campana cósmica, emitiendo el patrón característico de ondas gravitacionales amortiguadas, el llamado ringdown.

El brazo de un río estelar rodea el centro de una galaxia lejana, como una cinta luminosa sobre una montura invisible. Esa montura es el halo oscuro: una enorme nube de materia oscura invisible que, con su atracción, mantiene unidas a las estrellas y al gas.

La estrella de neutrones 4U 1735-44 engulle material de una estrella compañera. El material se arremolina formando un disco plano, como el agua que se va por el desagüe de una bañera. Pero este disco brilla en rayos X, y los astrónomos han podido medir por primera vez cuán 'peinada' está esa luz, es decir, cuán polarizada.

La colisión de partículas a gran velocidad produce una lluvia de nuevas partículas. Entre ellas se encuentran los antiprotones, gemelos de los protones ordinarios, pero con carga opuesta. Cada una de estas partículas tiene su propia rotación, como una pelota de tenis lanzada con efecto. Pero si los antiprotones nacen con espín, nadie lo ha comprobado hasta ahora.

Alrededor de las estrellas jóvenes giran discos de gas y polvo: el material de construcción para futuros planetas. Dentro de estos discos, los granos de polvo no vuelan al azar: se alinean a lo largo de líneas invisibles por donde fluye el gas.

Se puede hacer que un haz de luz parezca una flor con varios pétalos. Si se hace pasar ese haz a través de una nube de átomos fríos de rubidio y se enciende un campo magnético, los pétalos comienzan a girar. El ángulo de giro está directamente relacionado con la intensidad del campo.

El haz de una linterna en la niebla se descompone en miles de pequeños puntos débiles. Cada uno de ellos es luz que se ha reflejado muchas veces en las gotas de agua antes de llegar al ojo. Para entender este desorden, los físicos elaboran una tabla especial: la matriz de dispersión. En ella se registra cómo cada rayo entrante se convierte en un conjunto de rayos salientes.

La luz de un láser es como una fila perfectamente alineada de soldados en un desfile: todas las ondas oscilan en el mismo plano. Esa luz se llama polarizada. En el nuevo trabajo, los físicos obtuvieron por primera vez rayos gamma polarizados al hacer colisionar electrones con un potente pulso láser.

Una estrella de neutrones del tamaño de una ciudad gira más rápido que una batidora de cocina y lanza partículas a su alrededor. A su alrededor se forma una nube luminosa, denominada halo de púlsar. La forma de esta nube depende de los campos magnéticos invisibles que, como las corrientes oceánicas, dirigen las partículas.

El Sol no es una esfera tranquila. En su interior no dejan de viajar ondas, como en una campana después del golpe. Esas oscilaciones afloran a la superficie y delatan lo que ocurre en la cara oculta, invisible. Los astrónomos llevan tiempo sabiendo «escuchar» ese tañido y localizar grandes grupos de manchas.

Según la teoría de Einstein, los objetos masivos provocan curvatura del espacio-tiempo, como una pesada bola que hunde una lámina de goma. Al acelerar, generan ondas — ondas gravitacionales, similares a los círculos que hace una piedra al caer en un estanque.

Lanza un puñado de piedrecitas a un estanque y los círculos que se expanden se cruzarán, creando crestas y calmas. Más o menos así se comportan las ondas gravitacionales, predichas por Einstein. Solo que no es el agua lo que oscila, sino el propio espacio-tiempo.

En un enorme acelerador de partículas, donde protones a velocidades cercanas a la de la luz chocan contra un blanco de neón, nacen los bariones encantados: partículas que viven menos de una milmillonésima de segundo.

En la oscura nube L43, donde nacen las estrellas, las partículas de polvo giran como pequeñas brújulas. La luz de una estrella joven las empuja, y el campo magnético las alinea en una dirección concreta. Cuando un grano de polvo está orientado de lado, su calor nos llega polarizado, como la luz que atraviesa una rendija estrecha.

La luz de la estrella HD 163296 atraviesa el disco de gas y polvo que la rodea, como el haz de una linterna a través de agua turbia. Las partículas del disco dispersan la luz y esta adquiere una propiedad especial: la polarización. Las ondas comienzan a oscilar en un solo plano, como una cuerda que se agita estrictamente hacia arriba y hacia abajo.

La radiación terahercio se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja. Atraviesa la ropa, el papel y el plástico, pero es bloqueada por el agua y los metales. Por eso, estas ondas se utilizan en escáneres de seguridad y en el control de calidad de materiales.

La radiación de fondo es un débil resplandor que quedó tras el Big Bang, como el rastro que se enfría de una hoguera. En ella están codificadas las ondas gravitacionales que pudieron surgir en las primeras fracciones de segundo, cuando el Universo se inflaba más rápido que la luz.

La luz de galaxias lejanas atraviesa las lentes de un telescopio como a través de una pila de cristales de ventana. Cada cristal está cubierto con una fina película para reducir los reflejos. Pero esta película actúa como un filtro polarizador: una componente de la onda de luz pasa un poco más libremente, la otra un poco peor.

Lanza guijarros a lo largo de una hilera apretada de postes: rebotan en un denso rocío. Lánzalos en ángulo y se dispersan. Los rayos gamma en un cristal hacen lo mismo: generan cascadas de partículas que se extienden a menos que las filas atómicas del cristal estén perfectamente alineadas. Alinéalas con la precisión de un cabello y la cascada se enfoca en un haz estrecho.

El Sol no es solo una esfera, sino una mansión magnética. Sus invisibles hilos de fuerza, como un cableado eléctrico, atraviesan el espacio y controlan el clima espacial. Pero hasta ahora solo habíamos visto ese cableado desde el rellano de la escalera: desde el plano de la órbita terrestre. El papel del ático y el sótano, los polos magnéticos, seguía siendo un misterio.

Un agujero negro no solo engulle materia: como un remolino cósmico gigante, curva el propio tejido de la realidad y hace que los rayos de luz la rodeen, enfocándolos. El efecto es aún más fuerte en los agujeros negros que giran casi a la velocidad de la luz: su rotación retuerce el espacio en una espiral apretada.

El universo está lleno de masa invisible — la materia oscura — que solo se manifiesta a través de la gravedad. Una de las hipótesis sugiere que la materia oscura está compuesta por agujeros negros primordiales, objetos formados en las condiciones extremas inmediatamente posteriores al Big Bang.

En un imán común, todos los espines de los electrones (esas diminutas ‘flechas’ magnéticas internas, descubiertas por Pauli) apuntan en la misma dirección. Los altermagnetos, como el MnTe, son más complejos: la orientación de estas flechas se alterna, como las ondas en el agua que se expanden al lanzar una piedra.

En la noche del 9 al 10 de marzo de 2024, una nube de plasma expulsada por el Sol se alejaba de la estrella. Ya había superado la distancia de cinco radios solares cuando una red terrestre de 352 antenas en el valle de Owens, California, captó una breve señal de radio proveniente de ella.

El telescopio ACT, en el desierto chileno de Atacama, observó el cielo de 2007 a 2022. Su objetivo era la radiación cósmica de fondo, la luz que viaja hacia nosotros desde hace 13,8 mil millones de años. Esa luz está polarizada: las ondas oscilan en planos definidos, como cuerdas tensadas en distintas direcciones.

El espectro de electrones cósmicos es como las huellas dactilares en la escena del crimen. Las partículas que llegan desde las profundidades de la Galaxia llevan en sus energías las marcas de quienes las crearon. Durante mucho tiempo la imagen fue borrosa: los instrumentos con amplios intervalos de energía, como fotografías desenfocadas, no permitían ver los detalles.