Los colores en las fotografías astronómicas

La imparable revolución tecnológica en la que andamos inmersos ha cambiado de forma radical como vemos el mundo que nos rodea. Esto ya no es sólo por la enorme cantidad de información disponible cada día y el éxito de las redes sociales sino también por el riquísimo contenido audiovisual que tenemos “a golpe de un dedo” en nuestros dispositivos móviles.  Esto es particularmente cierto en Ciencia, sobre todo en Astronomía y Astrofísica. Quizá nos estamos acostumbrando, sea esto bueno o malo, a recibir “en directo” tanto las imágenes que nos llegan de ingenios explorando otros mundos, sean robots de paseo por la superficie de Marte o sondas sobrevolando los gigantes gaseosos Júpiter y Saturno, como las exquisitas y coloridas imágenes de objetos astronómicos, no necesariamente obtenidas con telescopios espaciales o costosos instrumentos en la superficie de la Tierra sino por los mismos astrónomos aficionados.

Todo esto contrasta enormemente con la forma en la que obteníamos información hace apenas un par de décadas. A finales de los años ochenta y principio de los noventa del siglo pasado había que esperar meses, años quizá para obtener toda esa información y ver esas fotografías. La mayoría de las imágenes incluidas en los libros de Astronomía de entonces eran en blanco y negro. Las pocas imágenes en color se incluían venían sobre todo desde el Telescopio Anglo-Australiano (AAT) por la mano del astrofísico David Malin (Australian Astronomical Observatory). Junto con alguno de sus colegas del entonces Observatorio Anglo-Australiano,  como Steve Lee (quien aún hoy día es el jefe de operadores nocturnos del AAT), este famoso astrofísico había desarrollado una técnica para conseguir “colores” en las imágenes astronómicas. Para ello combinaban 3 placas fotográficas, cada una sensible a diferente tipo de luz, en una única imagen final. Por ejemplo, esta imagen de la Gran Nebulosa de Orión causó una enorme sensación, al ser la primera vez que se obtenía con tanto detalle una imagen con colores de la nebulosa:

 Imagen de la Nebulosa de Orión obtenida usando placas fotográficas en el Telescopio Anglo-Australiano, de 3.9m de tamaño, conseguidas entre 1979 y 1980. Posiblemente esta fue la primera vez que se consiguió una fotografía en color de esta nebulosa. Más información en esta página http://oldweb.aao.gov.au/images/captions/aat019.html. Crédito: David Malin / Observatorio Astronómico Australiano.

Las técnicas para obtener imágenes en colores de objetos astronómicos han evolucionado, sobre todo después de que la Agencia Estadounidense del Espacio (NASA) se esforzara en publicar en color las impresionantes imágenes obtenidas con el Telescopio Espacial Hubble (HST). Gracias al avance tecnológico y los métodos de tratamiento de imágenes, en los últimos veinte años se han impuesto el uso de dispositivos CCDs que “captan” la luz y la convierten en información electrónica. El exponencial avance en estas técnicas, motivado por la conjunción del puro afán de los astrofísicos de “ir más allá” y detectar cada vez objetos más difusos con el empuje del desarrollo de instrumentos que puedan tener aplicación práctica por empresas públicas y privadas, ha hecho que hoy día los “descendientes” de esos primitivos dispositivos CCDs estén disponibles en nuestros teléfonos móviles. Esto es un ejemplo más de cómo el avance del conocimiento científico y la aplicación de la Física a la tecnología cotidiana han conseguido algo que usamos a diario.

Pero, obviamente, no es lo mismo “hacerse una selfie” con el móvil que conseguir una buena imagen de una nebulosa. ¿Cómo se hace? Pues en esencia siguiendo el “truco” que desarrolló David Malin hace más de treinta años. Las cámaras que usamos en Astronomía sólo ven “en blanco y negro” (mejor expresado, “en escala de grises”), y son mucho más sensibles que las cámaras digitales en color como las que tenemos en nuestros móviles. ¿Y de dónde salen los colores? Muy sencillo: los astrónomos siempre empleamos filtros para captar una parte concreta de la luz que nos llega. Por ejemplo, solemos obtener observaciones del mismo objeto usando un filtro azul, uno verde y otro rojo. Esto nos sirve para establecer las características básicas de una estrella o una galaxia. Las estrellas jóvenes y calientes brillan mucho en colores azules, mientras que las estrellas viejas y frías tienen colores rojos. Galaxias que destacan en colores azules (como las galaxias de tipo espiral) tendrán gran proporción de estrellas jóvenes, mientras que las galaxias amarillentas (como las galaxias de tipo elíptico) estarán constituidas sobre todo por estrellas viejas. En Astronomía los colores otorgan valiosa información: no sólo vamos por las “imágenes bonitas” si no por esos detalles que, a priori, no son tan evidentes, pero que destacan cuando se ponen con respecto a otras características.

Esto ocurre particularmente cuando se obtienen imágenes de nebulosas, por las formas tan caprichosas, con jirones de gas y polvo cósmico salpicados aquí y allá, formando a veces filamentos, otras veces oquedades, quizá alguna nube densa, que presentan las regiones de formación estelar. Además, el peculiar colorido que muchas veces se les da a las imágenes de las nebulosas, que parecen que sean más obras sacadas de la paleta de un pintor abstracto que objetos reales del Cosmos, hace que las imágenes de las nebulosas sean particularmente llamativas. Por ejemplo, la siguiente imagen de la Nebulosa de Orión, mostrada tal y como se observa con la cámara de gran campo del telescopio Isaac Newton, de 2.5 metros de tamaño, instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma):

Imagen en falso color de la Nebulosa de Orión, M 42, observada desde el Telescopio Isaac Newton, de 2.5m, en el Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma (España) usando el instrumento de gran campo Wide Field Camera (WFC). Se usaron filtros estrechos para recrear los colores, en concreto [O III] 5007 Å para el azul, Hα 6563 Å para el verde y [S II] 6720 Å para el rojo, recreando la “paleta del Hubble”. Las líneas verticales negras corresponden a la separación entre distintas CCDs. Bajo M 42 se observa M 43, la nebulosa de Marian, que es ionizada por una estrella no muy caliente, de ahí que no se observe apenas en [O III] (en azul), sobre todo si se compara con la Nebulosa de Orión. Crédito imagen: Ángel R. López-Sánchez, Sergio Simón-Díaz, Jorge García-Rojas, César Esteban et al.

Esta imagen de la Nebulosa de Orión se ha conseguido usando filtros especiales. El propio gas de la nebulosa brilla con luz propia, pero no lo hace como las estrellas. Las estrellas emiten luz en todos los colores del arco iris. Pero en las nebulosas la luz se emite en unos colores muy concretos que vienen dados por los elementos químicos (hidrógeno, helio, oxígeno, nitrógeno, azufre, …) que existan dentro de ella, todo determinado por las leyes de la Física Cuántica. Los astrofísicos han diseñado estos “filtros especiales” para dejar pasar sólo la luz emitida por esos elementos químicos. En la imagen el color azul se ha conseguido usando un filtro que sólo deja pasar la emisión del oxígeno, el color verde viene dado por un filtro que ve la emisión del hidrógeno y para obtener el color rojo se ha usado un filtro que sólo ve luz emitida por el azufre. Hablando técnicamente, el color azul proviene de la línea de emisión del oxígeno dos veces ionizado [O III] a 5007 Å, el color verde viene de la famosa línea del hidrógeno-alfa, Hα del hidrógeno una vez ionizado a 6563 Å, mientras que el color rojo viene de dos líneas muy juntas de azufre una vez ionizado [SII], a 6716 y 6731 Å. A esta asignación de colores y filtros (azul: [O III], verde: Hα rojo: [S II]) se la conoce popularmente como “la paleta del Hubble”, dado que fue popularizada precisamente con las imágenes del Telescopio Espacial.

Obviamente la Nebulosa de Orión no se vería así si nosotros pudiésemos ver los colores de las nebulosas (que no podemos, dado que luz que recibe nuestros ojos al mirar por un telescopio es muy débil, por lo que sólo las células que funcionan a tan poca luz - los bastones, que ven en blanco y negro - se activan). Por eso la imagen anterior se llama en “falso color”. Lo que intenta es que, usando los colores, entendamos y veamos mejor las características del objeto. No obstante, hay que insistir en que para obtener estas imágenes “estamos haciendo trampa” puesto que eliminamos gran parte de la radiación que llega (lo que se llama el continuo, donde no hay emisión nebular), además de que algunas líneas son bastante más débiles comparadas con las demás (como las de [S II] comparadas con Hα y [O III]).

Sin embargo, este truco nos sirve para entender mejor la física y la química de la nebulosa. Las regiones con emisión alta en oxígeno (en azul) son las zonas donde el gas está más caliente. Suele corresponder al centro de la nebulosa, donde se encuentran las estrellas jóvenes y calientes. Por otro lado los bordes de la nebulosa se delinean muy bien en colores rojizos: en estas zonas ricas en azufre la densidad de materia es mayor. Las zonas oscuras dentro de la nebulosa indican regiones dominadas por polvo y gas denso, que absorbe la emisión del gas, como la famosa “barra” en la parte central de la nebulosa.

Pero juguemos un poco más con los datos. Las mismas imágenes individuales pueden combinarse de distinta manera para dar otras vistas de la nebulosa de Orión. Con el auge de la fotografía en película, o usando los “filtros estándares” B, V y R (azul, verde y rojo), nebulosas como la de Orión muestran claramente que son principalmente de color rojizo, con una tonalidad más amarillenta en la parte central. Cambiando el orden en los colores, la siguiente imagen muestra en azul la emisión de [S II] (pero sólo para dejar la emisión de las estrellas, la emisión de la nebulosa se ha eliminado, intentando reconstruir un “filtro azul” donde sólo las estrellas aparecen), en verde está la imagen en [O III] y en rojo la imagen en Hα:

Imagen en falso color de la Nebulosa de Orión, M 42. Las especificaciones técnicas son las mismas que en la imagen anterior, excepto por la correspondencia entre filtros y colores: [S II] para el azul (sólo dejando el campo estelar), [O III] para el verde y Hα para el rojo. Esta imagen es la típica que se obtiene mediante CCD o película fotográfica sin filtros. Crédito imagen: Ángel R. López-Sánchez, Sergio Simón-Díaz, Jorge García-Rojas, César Esteban et al.

Aún así, esta imagen no sería como veríamos la Nebulosa de Orión con nuestros ojos usando un gran telescopio. La línea de Hα, aunque muy brillante, está en la zona roja de nuestro espectro, ahí donde la sensibilidad de nuestros ojos es más baja. Por el contrario, la línea de [O III] 5007 está justo en la zona de mayor sensibilidad de nuestro ojo, en el color amarillo-verde de nuestro espectro visible. Si se juega con el contraste de los colores en la imagen anterior podemos recrear de forma aproximada la visión real que tendríamos de la Nebulosa de Orión a través de un gran telescopio:

Imagen en falso color de la Nebulosa de Orión, M 42. Las especificaciones técnicas son las mismas que en las dos imágenes anteriores, y tiene la misma combinación de colores que la imagen anterior ([S II] en azul, [O III] en verde y Hα en rojo) pero cambiando la intensidad relativa en cada filtro. Esta imagen sería más o menos como veríamos la Nebulosa de Orión si tuviésemos un enorme telescopio con un campo muy grande. Crédito imagen: Ángel R. López-Sánchez, Sergio Simón-Díaz, Jorge García-Rojas, César Esteban et al.

En efecto, si pudiéramos detectar colores mirando a través de un telescopio, ¡veríamos la Nebulosa de Orión de color verde! La intensidad de la línea de [O III] 5007, que es más brillante incluso que Hα, está justo en este “color”, mientras que la línea de Hα no destaca tanto en la zona roja de nuestro espectro, por lo que la “sensación” real que otorgarían nuestros ojos si viesen en colores a través de un telescopio grande sería de un color predominantemente verdoso.

En resumen, además de conseguir impactantes imágenes que cautivan la imaginación de especialistas y profanos, el avance tecnológico permite ahora a los astrónomos usar la información en color para estudiar con mucho más detalle las propiedades físicas y químicas de las nebulosas, las causas de la formación de las estrellas, y cómo estrellas y gas interaccionan y evolucionan conjuntamente dentro de las galaxias. Conseguir imágenes astronómicas en color llega a ser, de hecho, todo un arte, sobre todo si además se usan datos obtenidos con distintos instrumentos a longitudes de onda muy distintas (rayos X, ultravioleta, infrarrojo o radio), pero proporcionan a los astrofísicos pistas, a veces clave, a la hora de entender lo que sucede en el Cosmos.

https://www.youtube.com/watch?v=SnnJg0jqr8A

Dr. Ángel R. López-Sánchez

Profesor del Máster en Astronomía y Astrofísica en la Universidad Internacional de Valencia VIU

Astrofísico y Divulgador Científico

Australian Astronomical Observatory / Macquarie University (Sydney, Australia)

Agrupación Astronómica de Córdoba / Red Astronómica de Andalucía

El Lobo Rayado: http://angelrls.blogalia.com

 Ángel R. López-Sánchez es un astrofísico y divulgador científico cordobés que trabaja en el Observatorio Astronómico Australiano y en la Universidad de Macquarie, en Sídney, Australia. Se licenció en Física en la Universidad de Granada y consiguió su doctorado en Astrofísica en la Universidad de la Laguna con un proyecto llevado a cabo en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Su campo de estudio es entender cómo sucede la formación estelar en galaxias cercanas, para lo que combina observaciones con telescopios ópticos y con radiotelescopios. Es un asiduo divulgador científico y autor del primer blog de astronomía escrito por un astrofísico español, “El Lobo Rayado”, en la dirección de internet http://angelrls.blogalia.com. Puedes seguirlo en Twitter en @El_Lobo_Rayado.