La astronomía de los aborígenes australianos

Grabado de la constelación de Orión de la Uranometria de Johann Bayer, (1603). Biblioteca del Observatorio Naval de los Estados Unidos (Fuente: Wikipedia)

Esta entrada fue publicada con anterioridad en Hablando de Ciencia.

En Australia, los aborígenes australianos han habitado esas tierras desde hace más de 65000 años y también ellos se han sentido atraídos por el cielo nocturno. A pesar de que su cultura no se ha basado en una transmisión escrita de sus conocimientos, sí existe una gran transmisión oral. Entre toda la información transmitida oralmente existe la relativa al origen y la dinámica de la naturaleza, basada en la observación y experimentación. Y por supuesto también existe información astronómica relevante, la cual ha llegado hasta nosotros gracias al trabajo de investigación de antropólogos que han sido partícipes de esa tradición oral y la han combinado con el conocimiento de la astronomía más actual.

La observación del cielo se basaba principalmente en la posición y propiedades de las estrellas. Entre estas propiedades se incluían su brillo o color. La posición la determinaban estableciendo relaciones con otros objetos celestes cercanos o su posición respecto al horizonte a lo largo del año.

Alguna de esas estrellas que han estado sujetas a la observación y a la transmisión oral de las observaciones son estrellas muy brillantes y conocidas por todos, como son las gigantes rojas pulsantes Betelgeuse y Aldebarán. Los aborígenes australianos ya se dieron cuenta de la variabilidad y periodicidad en los cambios de brillo de estas estrellas, mucho antes de que los astrónomos modernos descubrieran dicha variabilidad en los siglos XIX y XX.

Sin embargo, la observación de esta variabilidad no respondía a una mera curiosidad astronómica, sino que se debía a la interpretación de sus leyendas y mitologías. Las antiguas civilizaciones europeas no fueron las únicas que representaban su mitología en el cielo mediante la agrupación de estrellas para formar los asterismos que conocemos muy bien en nuestros días. Los aborígenes australianos también creían que las escenas cotidianas de la tierra donde las personas por ejemplo cazaban, también sucedían en el cielo.

Para nosotros, Betelgeuse y Aldebarán pertenecen a las constelaciones de Orión (el cazador), y Tauro (el toro). Para los aborígenes australianos, estas estrellas y sus constelaciones tenían otros significados que ayudan a entender su variabilidad debida a la pulsación.

Dentro de la tradición oral, que ha llegado hasta nuestro tiempo, se encuentra la leyenda de Nyeeruna.

Nyeeruna era un cazador y un mujeriego y, como tal, perseguía a las siete hermanas Yugarilya para casarse con ellas. En su persecución para conseguir a las jóvenes hermanas Yugarilya se encuentra con Kanbugudha, la hermana mayor de las Yugarilya. Para evitar a Kanbugudha, Nyeeruna enfurecido, enciende un fuego mágico con su mano que la hace brillar más. Al mismo tiempo, Kanbugudha enciende, también con fuego mágico, su pie y golpea en la cara a Nyeeruna. El golpe hace que se apague el fuego mágico de Nyeeruna. Humillado, se aleja y Kambugudha suelta a unos dingos, para proteger a las hermanas Yugarilya. Nyeeruna vuelve a intentarlo y enciende el fuego mágico de su mano, pero ahora Kanbugudha ordena a Babba, el padre de los dingos atacar a Nyeeruna que vuelve a apagar el fuego de su mano humillado de nuevo. Kangubudha apaga también el fuego de su pie, pero la historia se repetirá siempre con los fuegos de Nyeeruna y Kangubudha encendiéndose y apagándose ya que Nyeeruna nunca cesará en su empeño de casarse con las jóvenes hermanas Yugarilya.

¿Cómo se interpreta esta leyenda con la variabilidad de Betelgeuse y Aldebarán?

Betelgeuse (Fuente: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella)

Nyeeruna se asocia con la constelación de Orión que, en la mitología griega, también es considerado el cazador. Las siete hermanas son el cúmulo abierto de Las Pléyades en la constelación de Tauro, que también aparecen en textos como La Ilíada o en la cultura maya donde también son conocidas como las siete hermanas. Kangubudha se identifica como el cúmulo abierto de Las Híades, también en Tauro.

La mano con fuego mágico del cazador está representada por Betelgeuse mientras que el pie con su fuego mágico correspondiente es Aldebarán. Así, los aborígenes interpretaban la variabilidad de estas estrellas mediante la lucha de Nyeeruna con Kangubudha y los dingos. Cada vez que Nyeeruna se acercaba a las hermanas, encendía su mano (Betelgeuse) y esta brillaba más para después de recibir la patada de Kangubudha con su pie encendido (Aldebarán) dejar de brillar. En el segundo intento, Nyeeruna volvía a encender su mano, pero el padre de los dingos al evitar que se acercara a las hermanas hacía que su mano se apagara de nuevo. Solo cuando las hermanas fuera de peligro, Kangubudha también apaga su pie.

Actualmente conocemos muy bien los periodos en los que Betelgeuse alcanza su máximo brillo. Este máximo principal ocurre, aproximadamente, una vez al año (cuando Nyeeruna enciende su mano por primera vez), mientras que existe un máximo secundario cada 5.6 años. En el caso de Aldebarán, las variaciones de brillo no siguen un periodo regular, de ahí que solo cuando Kangubudha estimaba que el peligro había pasado apagaba su pie.

Queda entender como los aborígenes medían ese cambio de brillo. Aunque no está muy claro, se piensa que utilizaron el mismo método que usó Herschel, es decir, comparaban el brillo con una estrella cercana que no tuviera cambios en su brillo. Además, esos cambios de brillo debían de ser de, al menos, 0.1 magnitudes ya que es el límite que puede detectar el ojo humano a simple vista.

A pesar de no mantener un registro escrito y de contar con una tradición oral, queda patente que los aborígenes australianos eran buenos astrónomos también. Además, aunque la explicación que dieron a los cambios de brillo de estas estrellas diste mucho de tener la base física de la que disponemos ahora, es interesante ver cómo se las arreglaron para explicar esos cambios y, también, para entender la evolución del pensamiento humano en lo relativo a la observación astronómica desde un punto de vista diferente al que conocemos.

Referencias

Hamacher, D. Observation of red-giant variable stars by Aboriginal Australians.

Leaman, T. Hamacher, D. Aboriginal Astronomical Traditions from Ooldea, South Australia.

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Química (inter)estelar

Cuando queremos conocer la composición de cualquier material, lo primero que necesitamos es, obviamente, tener a mano una cierta cantidad del material a estudiar. Una vez lo hemos conseguido recurrimos a ese área del conocimiento científico, a veces odiada injustamente por muchos estudiantes, que es la química. La química es, como la definió Linus Pauling, la ciencia que estudia las sustancias, su estructura, sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias.

Dentro de la química, existe una rama encargada de decirnos cuál es la composición química de la sustancia que queremos estudiar. La química analítica. Para lograr su objetivo, la química analítica utiliza diversos métodos que por su naturaleza pueden ser métodos puramente químicos, basados en las reacciones que unas sustancias tienen en presencia de otras, o fisicoquímicos que dependen de cómo unas sustancias interactúan físicamente con otras.

Ahora bien, ¿cómo hacemos para estudiar la composición química de algo de lo que no tenemos a mano ninguna cantidad del material que queremos estudiar? Esta es la situación que se da, sin excepción, cuando queremos conocer la composición de las estrellas o del medio interestelar. Podría parecer imposible pero lo que está claro es que conocemos, cada vez mejor, la composición de las estrellas y del medio interestelar. Como prueba, recientemente se ha buscado mercaptano de etilo (CH3CH2SH) en la región de formación de estrellas masivas Kleinmann-Low en la nube molecular de Orión. Puedes ver una magnífica explicación a nivel de divulgación aquí y el artículo técnico aquí.

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Región Kleinmann-Low en la nebulosa de Orión (Fuente: NASA APOD, CISCO, Subaru 8.3 m telescope, NAOJ)

¿Cómo lo hacemos entonces? Necesitamos recurrir a varias ramas de la ciencia, entre las que encontramos química (analítica), la astrofísica y astronomía(en concreto la instrumentación astronómica).

Antes hemos dicho que la química analítica es la encargada de estudiar la composición química y que para ello utiliza diferentes métodos. Uno de ellos es el método espectrométrico, el cual consiste en estudiar la interacción de la radiación electromagnética (en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético) con la materia sobre la cual incide. La espectrometría utiliza espectrómetros (que también son conocidos como espectroscopios o espectrógrafos) que son unos dispositivos que separan la luz en las longitudes de onda que los componen. El espectroscopio más sencillo que existe (y en cuyo principio funcional se basan todos los demás) es un simple prisma. Utilizando un prisma Newton consiguió descomponer la luz blanca del sol que incidía sobre el prisma en todos los colores que la componían, obteniendo así el primer espectro de la historia. Sin embargo, fueron Kirchhoff y Bunsen los que inventaron el primer espectroscopio al añadir una escala graduada que permitía identificar la longitud de las líneas espectrales que se observaban al hacer pasar la luz por el prisma. Cuando la imagen se registra sobre un dispositivo, ya sea electrónico o una película fotográfica, solemos hablar de espectrógrafo.

Las sustancias químicas se pueden encontrar en forma atómica o forma molecular. En la primera, los átomos individuales no se encuentran unidos a otros átomos, en la segunda los átomos se encuentran unidos entre sí, a través de enlaces que pueden ser entre átomos del mismo elemento o de distinto tipo, dando lugar a moléculas. Los electrones que forman los átomos, o que se unen entre dos átomos para formar la molécula, pueden estar en diferentes estados energéticos. Si sobre ellos no incide ningún tipo de radiación (ya sea de la longitud de onda que sea), los electrones se encuentran en el estado más bajo de energía. Cuando la radiación incide sobre ellos, los electrones saltan a un estado de mayor energía. Sin embargo, debido a que los electrones tienen tendencia a estar en su estado de menor energía, una vez la radiación ha dejado de incidir vuelven a su estado de energía más bajo o fundamental y para ello tienen que liberarse del exceso de energía que le había proporcionado la radiación incidente, emitiendo por ello ese exceso de energía en forma de radiación. La diferencia entre la energía del nivel inicial y el nivel final nos da la longitud de onda de la radiación emitida.

Cada átomo o molécula tiene unos niveles de energía diferentes que los caracterizan, por lo que dependiendo de la energía incidente las transiciones entre niveles serán diferentes y por lo tanto la radiación emitida será también diferente. Estos niveles de energía pueden ser de diferentes tipos e incluyen niveles vibracionales (debidos a la vibración del átomo o molécula) o niveles rotacionales (debidos a la rotación del átomo o molécula). Por otro lado, cada nivel de energía puede no ser único, sino que en presencia, por ejemplo, de un campo magnético desdoblarse en varios niveles, que permiten transiciones adicionales y por lo tanto la posibilidad de emisión del exceso de radiación en longitudes de onda adicionales.

image014 Transiciones entre niveles de energía que dan lugar a los espectros (Fuente: monografías.com)

Los químicos analíticos cuando intentan determinar que sustancia tienen entre manos, estudian utilizando, entre otros métodos, el método espectrométrico la estructura de estos átomos o moléculas y su interacción con la radiación. Debido a que cada átomo y molécula tiene una estructura de niveles de energía determinada y distinta del resto, y que interactúa con la radiación de una manera determinada según el tipo de radiación (y las condiciones del entorno, como por ejemplo en presencia de campos magnéticos) se puede crear un catálogo de espectros para que cada vez que nos volvamos a encontrar con el mismo espectro en otro lugar, podamos decir que sustancia tenemos entre manos.

Ese otro lugar en el que nos podemos encontrar los espectros son las estrellas y el medio interestelar. El problema que nos encontramos es que no podemos acceder directamente para tomar una muestra y llevarla al laboratorio para estudiarla. Lo que si podemos hacer es utilizar nuestros telescopios ya sea ópticos o de radio, equiparlos con espectrógrafos que nos permitan observar los espectros, en los que los sensores han de ser adecuados para la radiación que queremos medir y apuntarlos hacia la región del cielo que queremos estudiar. El análisis de los espectros a través de su comparación con los espectros obtenidos en los laboratorios nos dirá la composición química de nuestro objeto de estudio. Y no sólo eso, vamos a obtener mucha más información como las velocidades de rotación y de traslación que tiene el objeto que estamos estudiando (a través de medidas de efecto Doppler, ya que las líneas espectrales aparecerán desplazadas, con respecto a su posición en el laboratorio, hacia longitudes de onda más largas o más cortas dependiendo de si se aleja o se acerca de nosotros) o incluso de la intensidad del campo magnético que pueda existir en la región de estudio.

Cómo en todo, la realidad es siempre mucho más compleja, pero siempre podemos confiar en el ingenio humano y en la capacidad de los científicos para buscar soluciones a los problemas que les plantea el universo. Y como se ha visto, lo que para mí más importante, se puede confiar en la colaboración de diferentes áreas de la ciencia para buscar esas soluciones, en algunos casos, surgiendo a raíz de esa colaboración nuevas áreas de investigación como es el caso de la Astroquímica que fundamentalmente es de lo que se ha tratado aquí.

Referencias:

http://www.espectrometria.com/

(Inter)stellar chemistry

When we want to know about what a material is made of, the first thing we need is, obviously, to have a certain amount of the material we want to study. Once we get it, we go to that area of the scientific knowledge, often hated by students, which is chemistry. Chemistry, as Linus Pauling defined it, is the science that study substances, its structure, its properties and the reactions that transform them in other substances.

Within chemistry, there is an area in charge of telling us what the chemical composition of the substance we want to study is:  the analytical chemistry. To achieve its objective, the analytical chemistry uses a set of methods that depending on its nature can be pure chemical methods, based on the reactions that a substance has in the presence of other ones, or physical chemistry methods, which depend on how some substances physically interact with other ones.

But, how do we do to study the chemical composition of something that we do not have any amount at hand?. This is the situation that appears, without exception, when we want to know the composition of stars or the interstellar medium. It could seem to be impossible but it is true that we know it better and better. As a proof of that, it has been recently searched for ethanethiol in the Kleinmann-Low region inside the Orion nebula.

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Kleinmann-Low region in the Orion nebula (Source: NASA APOD, CISCO, Subaru 8.3 m telescope, NAOJ)

Then, how do we do it? We need to go to different areas of science, among which we have chemistry (analytical chemistry), astrophysics and astronomy (concretely astronomical instrumentation)

We mentioned before that the analytical chemistry is in charge of studying the chemical composition and for that purpose it uses different methods. One of them is the spectrometric method, which consists in studying the interaction of the electromagnetic radiation (in every wavelength of the electromagnetic spectrum) with the matter it impacts. Spectrometry uses spectrometers (also known as spectroscopes or spectrographs) which are devices that separate de light in the wavelengths that is made of. The most simple spectroscope (in which functional principle are based all of them) is a simple prism. Using a prism, Newton managed to split the white light coming from the sun in the colors it was made of, getting in such a way the first spectrum in history. However, it was Kirchhoff and Bunsen who invented the first spectroscope by adding a graduated scale allowing them to identify the wavelength of the spectral lines observed when the light passed through the prism. When the image is registered on a device, either electronic or a simple photographic plate, we used to speak about a spectrograph.

Chemical substances can be found in the form of atoms or molecules. In the first one, individual atoms are not bounded to other atoms. In the second one, atoms, which can be of the same kind or different, are bonded amongst them through chemical bonds giving rise to molecules. The electrons that are inside atoms, or that are bond to make up a molecule, can be in different energy states. If there is not any radiation impacting on them (whatever the wavelength), electrons are in their lowest energy state. When radiation impact on them, the electrons jump to a higher energy state. However, due to the electrons tend to be in their lowest energy state, once the radiation stops impacting on them they return to their lowest energy state and, for it, they have to get rid of the energy excess provided by the incoming radiation, emitting the excess of energy in the form of radiation. The difference between the energy of the initial and final energy states tells us the wavelength of the emitted radiation.

Each atom or molecule has different energy states that are characteristic and, therefore, depending on the incoming energy, the transitions between energy states will be different and thus the emitted radiation will be different too. These energy states can be of different types and include vibrational states (due to the vibration of the atom or molecule) or rotational states (due to the rotation of the atom or molecule). On another hand, each energy state cannot be a single one, but can be split in different states in presence of, for instance, a magnetic field, thus enabling additional transitions and the possibility of the emission of the excess of energy in additional wavelengths.

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Transitions between energy states that give rise to spectra (Source: monografías.com)

Analytical chemists use, amongst other methods, the spectrometric method to study the structure of these atoms or molecules and their interaction with radiation. Because each atom and molecule has a specific structure of energy levels different to the rest, and that it interacts with radiation in a specific way depending on the type of radiation (and the environmental conditions, such as the presence of magnetic fields), it can be created a catalogue of spectra, so that the next time we see the same spectrum in other place, we could identify the substance we are dealing with.

Some of the places where we can find spectra are stars and the interstellar medium. The problem we have is that we cannot directly access to the star, gather some amount of matter and take it back the laboratory to study it. What we can do is to use our optical telescopes or radio telescopes, to equip them with spectrographs to give us the chance to observe the spectra, with sensors appropriate for the type of radiation (wavelength) we want to observe and point them towards the region of the sky we want to study. The analysis of the spectra through its comparison with the spectra obtained in the laboratory could give us the chemical composition of our object under study. And not only that, we are going to be able to get much more information such as the rotation and translation speeds that have the object (through the measure of the Doppler effect, because the spectral lines will appear displaced, with regards to its position in the laboratory, to the spectrum part where there are longer or shorter wavelengths depending on whether the object is approaching to or recessing from us) or even the intensity of the magnetic field that could be in the region we are looking at.

As always, reality is always much more complex, but we can always rely on the human will and the capacity that scientists have to look for solutions to the problems that the universe presents. And as it has been seen, what for me is the most important thing, we can rely on the collaboration between different scientific areas in the search for those solutions, appearing, in some cases, new scientific fields as result of such collaboration. This is the case of Astrochemistry, which is basically the scientific area that has been addressed in this post.

References:

http://www.espectrometria.com/