El índice espectral es un número que describe cómo cambia la intensidad de la radiación o de las partículas con la energía o la frecuencia. En muchos contextos astrofísicos y cosmológicos, los espectros siguen una ley de potencias, lo que significa que la intensidad I es proporcional a E^α, donde E es la energía y α es el índice espectral. Un índice espectral negativo indica que la intensidad disminuye con la energía, lo cual es común en la radiación de sincrotrón o en los espectros de rayos cósmicos; un índice positivo significa que la intensidad aumenta con la energía, como se observa en algunos fondos de rayos gamma. El valor del índice espectral codifica información física sobre el mecanismo de emisión, la distribución de energía de las partículas y el entorno donde se produce la radiación.
Historia
El concepto de espectro de ley de potencias y su exponente se ha utilizado desde principios del siglo XX en estudios de rayos cósmicos y radioastronomía, aunque el término específico 'índice espectral' se estandarizó a mediados del siglo XX, cuando se multiplicaron las observaciones de radiación de sincrotrón proveniente de restos de supernova y galaxias.
Cómo funciona
Para medir un índice espectral, los científicos recopilan datos en un rango de energías o frecuencias y representan el logaritmo de la intensidad frente al logaritmo de la energía. Si la relación es lineal, la pendiente de esa recta es el índice espectral. Una pendiente más pronunciada implica una caída más rápida con la energía, mientras que una pendiente más plana indica una distribución más uniforme. El índice puede variar con el rango de energía, revelando quiebres o cambios que señalan modificaciones en la física subyacente, como el enfriamiento de las partículas o la aparición de un nuevo proceso de emisión.
En la práctica
Los índices espectrales se utilizan para clasificar fuentes astronómicas, inferir la intensidad de los campos magnéticos y modelar la propagación de los rayos cósmicos, así como en física de plasmas para caracterizar la turbulencia y en cosmología para analizar el fondo cósmico de microondas.
Dato curioso
El índice espectral de los rayos cósmicos para protones es de aproximadamente -2.7, pero observaciones recientes de núcleos pesados como el hierro muestran un aplanamiento sorprendente a altas energías, lo que sugiere un mecanismo de aceleración diferente.
El corazón del agujero negro late de forma irregular. Un latido es más brillante, otro más tenue, y en ese ritmo va cifrada la temperatura de los electrones que giran junto al propio horizonte.
La radioastronomía comenzó con un ruido misterioso captado por la antena de Karl Jansky y con los pulsos rítmicos que Jocelyn Bell Burnell llamó, en su descubrimiento, «hombrecitos verdes».
Un panel inteligente para controlar las ondas de radio, que viajan a la velocidad de la luz, funciona como una orquesta: cientos de elementos diminutos, los «instrumentos», cambian la fase (el momento de entrada) según las órdenes del voltaje. De esta manera, toda la superficie dirige el haz hacia la dirección deseada, como el sonido en una sala.
Hornear pan comienza con una masa casi homogénea en la que ya se esconden diminutas burbujas de gas. Luego crecen, y de la velocidad de su crecimiento depende la estructura futura de la miga. En cosmología, el papel de esas burbujas lo juegan los gérmenes de las galaxias: ligeras acumulaciones de materia en la "sopa" caliente del universo temprano.
Un estallido de rayos gamma es como un disparo de un cañón cósmico. Primero, un destello breve de luz, luego un decaimiento. Pero dentro de ese destello, no todo es tan simple: su color y su brillo no cambian al mismo tiempo.
Los científicos tomaron 20 estallidos individuales captados por el satélite Fermi y los descompusieron en el tiempo.
En la superficie del Sol hay manchas oscuras: regiones con un campo magnético muy intenso que frena la ebullición del gas incandescente. De vez en cuando, ondas de choque recorren la atmósfera de la mancha, como una ráfaga de viento que comprime el aire frente a ella.
Los rayos cósmicos son partículas cargadas que bombardean continuamente la Tierra desde las profundidades del espacio. Cuando una de estas partículas entra en la atmósfera, choca con los núcleos del aire y genera toda una cascada de partículas secundarias: electrones, muones, fotones.
Una partícula cargada que gira en un campo magnético no se queda callada: emite luz. Esa luz se llama radiación de sincrotrón y aparece en todas partes, desde galaxias lejanas hasta aceleradores de laboratorio.
El polvo cósmico no es suciedad, sino partículas diminutas, parecidas al hollín de una fogata, solo que esparcidas entre las estrellas. Algunas giran a una velocidad vertiginosa, millones de veces por segundo, y al hacerlo emiten débiles ondas de radio.
Los rayos cósmicos son núcleos atómicos acelerados a velocidades cercanas a la de la luz. Llegan a la Tierra desde todas direcciones, y por su composición podemos deducir lo que ocurre en los rincones lejanos de la Galaxia.
De noche, sobre la taiga siberiana, a veces destella una débil luz azulada. No es una aurora boreal, sino una lluvia cósmica: una partícula llegada del espacio profundo choca contra la atmósfera y se desintegra en millones de partículas secundarias. Estas se precipitan hacia la Tierra en un frente amplio, como una ola que se expande al lanzar una piedra al agua, y hacen que el aire brille.
Como corredores en una larga distancia, los núcleos atómicos —desde el ligero helio hasta el pesado hierro— se precipitan hacia nosotros a través de toda la galaxia. En la meta, en el detector a bordo de un globo de gran altitud, se ve que los núcleos pesados llegan un poco más agotados que los ligeros.
Muy por encima de la Tierra vuela un satélite, y dentro de él hay un instrumento del tamaño de un armario pequeño. Atrapa partículas que han viajado durante miles de millones de años a través de la galaxia y finalmente chocan contra el detector. Estas partículas se llaman rayos cósmicos y traen noticias de lejanas explosiones estelares.
El globo ATIC se elevó sobre la Antártida y capturó partículas más antiguas que la propia Tierra. Entre ellas, núcleos atómicos desde azufre hasta cromo, y cuanto mayor es su energía, mayor es su proporción en comparación con el hierro.
En el flujo de partículas cargadas que nos llegan desde las profundidades de la Galaxia, el hierro resultó ser la oveja negra. El instrumento ATIC-2, elevado en un globo sobre la Antártida, comparó cómo cambia con la energía la proporción de núcleos desde el azufre hasta el cromo en relación con el hierro.
Muy por encima de la capa de hielo de la Antártida, un globo con un detector permaneció suspendido durante veinte días. Atrapó diminutas partículas que habían viajado millones de años hasta nosotros desde lejanas explosiones estelares. Ahora los científicos han analizado su captura y han contado cuánta energía portaban los protones y los núcleos de distintos elementos.
