De los átomos a las estrellas: así revela la luz el movimiento invisible de los electrones

Hace poco hablábamos de cómo distinguir entre una estrella y un planeta y decíamos que su luz la podemos ver como un punto distante; sin embargo, es más que eso. Esa luz, que viaja enormes distancias, nos da información fundamental del astro.

Los astrónomos desciframos toda esta información mediante el espectro; de la luz. Cada elemento químico deja señales características cuando sus electrones absorben o emiten fotones, las cuales nacen de procesos cuánticos.

Comprender estas señales exige mirar más allá de las líneas de colores que aparecen en un espectro, importa cómo evoluciona un átomo cuando interactúa con la radiación. Un experimento reciente permite investigar esa evolución electrónica en escalas temporales casi inimaginables.

Una cámara (cuántica) para observarlos a todos

Investigadores del Instituto Max Born, en Berlín, Alemania, utilizaron destellos de luz de aproximadamente 270 attosegundos. Para estudiar átomos ionizados.

El procedimiento funciona como una secuencia de dos destellos:

• El primero arranca un electrón y prepara al átomo en una combinación de estados cuánticos.
• El segundo llega con un retraso controlado y mide cómo cambia la absorción de luz del ion.

Ambos pulsos pertenecen al ultravioleta extremo y se producen mediante una técnica llamada generación de armónicos de orden elevado. A diferencia de otros experimentos, no hace falta un pulso infrarrojo intenso para examinar la evolución posterior, lo que facilita interpretar los resultados.

En el xenón, los investigadores encontraron una oscilación con un periodo de 3.1 femtosegundos. Con lo que reconstruyeron, mediante variaciones de absorción, el cambio de una distribución cuántica asociada al hueco que deja el electrón expulsado del átomo.

La danza de los espectros (cósmicos)

El equipo repitió las mediciones con distintos gases nobles y descubrió que cada uno posee su propio ritmo. En el argón registró periodos de 23.3 femtosegundos; en el neón, de 42.9, diferencias que reflejan separaciones de energía entre estados electrónicos.

En el neón, los cálculos mostraron que la distribución del hueco electrónico cambia entre una figura alargada, semejante a una mancuerna, y otra anular, parecida a una rosquilla. No es un agujero físico, sino una descripción cuántica del electrón ausente.

Esas transformaciones modifican la forma de absorber radiación, ya que en determinadas energías la señal aumenta mientras en otras disminuye. Esa alternancia aporta información sobre el estado electrónico que una imagen convencional no mostraría.

Si bien, el experimento no reproduce una estrella ni mide directamente su atmósfera, los espectros estelares también dependen de transiciones entre estados electrónicos, lo que nos ayuda a entender los mecanismos cuánticos que hacen posible interpretar la luz.

Del laboratorio a las estrellas

En nebulosas y regiones de gas ionizado, las líneas espectrales de elementos como el neón y el argón ayudan a estudiar la composición y las condiciones físicas del material. Su análisis exige conocer con precisión los niveles de energía de los átomos.

Las mediciones de attosegundos añaden una dimensión diferente, ya que en lugar de identificar solamente qué energías absorbe un sistema, permiten estudiar cómo evoluciona tras recibir luz. Esa información podría enriquecer futuras investigaciones sobre procesos rápidos de ionización y transferencia de carga.

Sin embargo, conviene distinguir entre posibilidad y descubrimiento. Este trabajo se realizó con gases nobles en condiciones controladas de laboratorio y sus autores proponen extender la técnica a moléculas y sólidos, quedando pendiente una aplicación directa a estrellas, nebulosas o exoplanetas.

Desde la Tierra, la astronomía reconstruye historias lejanas leyendo la luz que recibimos, mientras que en el laboratorio, la cuántica sigue los cambios que ocurren dentro de los átomos. Ambas miradas se encuentran en la idea de que comprender el Universo significa comprender su luz.