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Los portadores de información

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Los portadores de información. Gran telescopio binocular de Monte Graham, Arizona (USA). ¡ Salud !.

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Los portadores de información

Gran telescopio binocular de Monte Graham, Arizona (USA)

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¡ Salud !

Mi nombre es Arturo Boyero, soy licenciado en Astrofísica y voy a hablarte de cómo desde la Tierra se han podido saber los secretos de las estrellas, esos cuerpos que adornan la bóveda celeste por las noches.

El filósofo francés Augusto Compte, dijo que el conocimiento de la naturaleza de las estrellas, nunca iba a ser sabido por el hombre. Él razonó que estando tan lejos, era imposible que analizáramos una estrella. Pero se equivocó. Porque existe un vínculo entre ellas y nosotros que es la energía que nos hacen llegar. Esa energía es “portadora de información”.

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Radiaciones electromagnéticas

Las estrellas son grandes globos de Hidrógeno y Helio que radian energía al espacio. El aspecto visible de esa energía es lo que llamamos “luz”.

Pero también radian energía bajo otros aspectos que nuestros ojos no pueden ver, pero que se detectan con instrumentos adecuados. Son las llamadas radiaciones: infrarroja (IR), ultravioleta (UV), ondas radioeléctricas (OR), también rayos X y gamma (g).

Todas esas radiaciones tienen algo en común: son de origen “electromagnético”.

¿Qué significa que son “radiaciones” ? Que es energía que se propaga sin necesidad de conductores.

¿Por qué “electromagnéticas”? Pues porque los electrones –esas partículas con carga eléctrica negativa- que encontramos en la periferia del átomo, saltan de uno a otro nivel absorbiendo primero y liberando luego energía. O sea, son el resultado de las vibraciones de los electrones en los niveles energéticos de los átomos

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La luz

Llamamos “luz” a cualquier radiación electromagnética que podemos ver. Es por tanto incorrecto hablar de “luz ultravioleta” o “luz infrarroja”, puesto que esas radiaciones no son visibles al ojo humano.

La luz hace posible la observación de los astros y el ojo no discrimina entre “luz emitida” (el Sol), o “luz reflejada” (la Luna). Basta que le llegue luz, para que se forme una imagen del objeto en el cerebro y éste sea ópticamente visible.

Luz reflejada

Luz emitida

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Elementos de una onda

Al ser el resultado de una vibración, la luz se propaga mediante ondas, en este caso “electromagnéticas” que pueden propagarse en el vacío a una velocidad c = 300.000 km/s, quedando definidas por su “longitud de onda” (l) que es la distancia entre puntos que se encuentran en igual fase . La “amplitud (A)” está asociada a la intensidad de la radiación”.

l

Amplitud

A

1 seg

Período (seg)

1 ciclo

Siendo la “frecuencia” de la onda, la cantidad de ciclos efectuados en 1 segundo, la radiación representada arriba, tiene una frecuencia de 3 ciclos/seg, o sea u = 3 Hertz. Como u = c / l, a mayor long. de onda, menor frecuencia.

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No todas las ondas pueden propagarse en el vacío. Las ondas mecánicas como las de sonido, o las sísmicas, exigen para ello la existencia de un medio material. Eso significa que no recibiremos ruido de los astros.

En las ondas sonoras, la longitud (l) determina el “tono” del sonido. Las vibraciones largas producen ondas largas y el oído las interpreta como sonidos graves. Las cortas producen ondas cortas y se interpretan como sonidos agudos.

Sonido agudo por vibración de cuerdas cortas

Sonido grave por vibración de cuerdas largas

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Difracción de la luz

Luz blanca

prisma

Al pasar un rayo de luz blanca por un elemento de difracción (como un prisma), se produce un abanico de componentes. Cada una es, una radiación luminosa con un determinado valor de long. de onda (l) que el ojo humano interpreta como un “color”. A mayor valor de l, menos se aparte la componente de la trayectoria original.

Isaac Newton dio a esta banda de colores el nombre de “espectro”, como sugiriendo que es el “espíritu” de la luz.

La menor l corresponde al violeta, y la mayor al rojo, que ocupan los extremos del espectro.

Espectro de luz

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El color de

los cuerpos

Al incidir la luz en un cuerpo, algunas componentes son absorbidas mientras que otras se reflejan. El ojo interpreta esa luz reflejada como el color del cuerpo.

A veces se reflejan tantas componentes que los cuerpos adoptan tonalidades difíciles de describir.

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Si son reflejadas todas las componentes, el objeto lo veremos “blanco”. Si por el contrario ninguna es reflejada, lo veremos “negro”

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Visión monocular y binocular

d

b

La observación con 2 ojos (visión binocular), permite efectuar una triangulación cuya base (b) es la separación entre ellos. La distancia (d) al objeto es la altura del triángulo formado por las visuales al objeto. Pero cuanto más lejano sea éste, más fino y largo será el triángulo y se perderá la apreciación de distancias. Como los astros se encuentran en el infinito de nuestra visión, las visuales son paralelas, no se forma triángulo, se pierde la visión tridimensional y no se aprecian distancias. Lo mismo ocurre si miramos con un solo ojo (visión monocular).

b

Objeto en el infinito

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Espectro de radiaciones electromagnéticas

El significado de “espectro” es en este caso: “variedad”. El cuadro que sigue, muestra todos los tipos de radiaciones de origen electromagnético.

Longitud de onda ( l ) crece

Energía disminuye

g X UV Luz IR OR

radiografías camas solares iluminación calefacción horno telecomunicaciones (Radio, TV, Radar, etc)

esterilización de instrumentos sensores microondas

Por pertenecer a una misma “familia electromagnética”, todas viajan a la misma velocidad, que es la velocidad de la luz (c=300.000 km/s). ¿Entonces en qué se diferencian? Pues en la “longitud de onda” que cada una posee. Esto a su vez las hace más o menos portadoras de energía. La producción artificial ha permitido diversos usos en la vida humana.

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Ventanas atmosféricas

1 cm 20 m

g X UV Luz IR O R

LUZ

Atmósfera terrestre

Nuestra atmósfera es opaca para la gran mayoría de estas radiaciones, y solo deja pasar unas pocas: la luz, algo de UV e IR, y Ondas de Radio cuyas longitudes de onda (l) van de 1 cm a unos 20 m. Las demás, o son absorbidas o son reflejadas por los componentes como el ozono, vapor de agua, etc. La transparencia o “ventanas atmosféricas”, permite la observación óptica y radioastronómica de los astros. En el primer caso se usan telescopios y en el segundo, antenas parabólicas (radiotelescopios). Gracias a ese “filtro atmosférico” es la Tierra un mundo habitable. Y por cierto que la mayor fuente de radiaciones es para nosotros el Sol.

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Relación brillo-distancia

Distancia 1m 2m 3m 4m 5m

brillo b b/4 b/9 b/16 b/25

Una fuente de luz se la observa con cierto brillo “b”, a una distancia de 1 metro. Si la observamos al doble de distancia (2m), el brillo será 4 veces menor; si al triple (3 m), será 9 veces menor; si al cuádruple (4 m), será 16 veces menor, etc.

El brillo disminuye proporcional al cuadrado de la distancia porque cada vez captamos menos rayos de luz. Lo que se puede escribir:

esto se conoce como “relación brillo-distancia”

b = 1/d

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Si bien estamos siempre recibiendo algo de luz, a mucha distancia es tan poca la que captamos, que el nervio óptico no se excita y no se forma una imagen de la fuente.

Supongamos 3 astronautas ubicados en: la Tierra, en Júpiter y en Urano. El que está en Júpiter ve brillar al Sol, 25 veces menos que el que está en la Tierra. El de Urano lo ve 16 veces menos brillante que el de Júpiter y 400 veces menos brillante que el de la Tierra. Si el astronauta de la Tierra viajara hacia el Sol y

quedara a ½ UA de distancia, lo vería brillar 4 veces más que en la Tierra.

De quedar a 1/3 UA, el brillo aumentaría 9 veces.

Sol Tierra Júpiter Saturno Urano

1UA 5 UA 10 UA 20 UA

b b/25 b/100 b/400

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Telescopios

Tipo Refractor:

Son instrumentos que recogen y concentran la luz que se dispersa, aumentando así el brillo del objeto observado. También aumentan las imágenes y la separación entre objetos (poder separador). Según sea su objetivo, pueden ser “refractores” o “reflectores”.

Foco

Dist. focal ocular (f)

Dist. focal del objetivo (F)

A

Objetivo (lente convergente) ocular

(lente convergente o divergente, según el modelo)

Capta y concentra la luz en el foco donde se forma una imagen primaria.

Toma la imagen primaria y la aumenta

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Tipo Reflector

ocular

foco

Espejo secundario para exteriorizar el foco

Telescopio espacial Hubble

Objetivo (espejo cóncavo parabólico)

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Propiedades de los telescopios

Aumento de imagen: es la relación entre las distancias focales F y f A = F/f Será mayor el aumento cuanto más largo sea el instrumento. Este valor puede modificarse cambiando el ocular (f) dado que F es invariable.

Razón focal: es la relación entre la distancia focal (F) y la abertura (A), o sea

Rf = F/A

Brillo de la imagen: es directamente proporcional al cuadrado de la abertura (A) o sea al área del objetivo e inversamente proporcional al cuadrado de F.

Brillo = A / F = 1/ Rf

O sea que a mayor abertura más brillo de imagen. Contrariamente el brillo disminuye con el aumento dado que si la imagen es más grande, la luz que entra debe repartirse en una superficie mayor. Así habrá más brillo cuanto menor sea la razón focal (Rf).

2 2 2

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EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF

Ondas de Radio

Son otra forma de radiación electromagnética con longitudes de onda de entre 0,1 mm a varios km. El hombre ha encontrado diversos usos para ellas, sobre todo en el campo de las telecomunicaciones.

Espectro radio

l

1mm 1 cm 1 dm 1m 10 m 100 m 1 km 10 km 30 km

Radar

Radio FM TV

Radio SW

Radioafic.

Radio AM

Radiofaros Radio LW

Enlaces de radio a grandes distancias

Celulares

GPS

Comunic. espaciales

Satélites comunic.

Horno microondas

Comunic. Barcos y aviones

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Radiotelescopios

Son enormes antenas dotadas de una superficie cóncava parabólica para recoger la radiación radio. La atmósfera terrestre es transparente para las comprendidas entre l = 1 cm a 20 m, lo que hace posible la captación de estas ondas mismo desde la superficie de nuestro planeta. Esta técnica se conoce como “Radioastronomía”.

Las antenas funcionan todo el tiempo y no solo de noche como los telescopios. La superficie parabólica concentra la radiación en un foco, igual que el espejo de un telescopio. Pueden detectar objetos que no emiten luz, a grandes distancias. Algunas ondas de radio son características; por ej. El hidrógeno atómico emite con l = 21 cm y esto permite detectar su concentración en el Universo.

La emisión de ondas de radio, puede ser de origen térmico (debido a la temperatura del cuerpo) o no térmico, debido a cambios de estado de los electrones.

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El radiotelescopio más grande individual de occidente, es el de Arecibo (Puerto Rico) que posee una abertura (A) de 305 m

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En Rusia, se encuentra el individual más grande del mundo, el Ratan 600 con un diámetro de 576 m.

Radiotelescopio compuesto de Very Large Array (VLA) en Nuevo México. Consta de 27 antenas

FIN

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