Los colores del universo

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4-84Cortesía de Vicent Peris (Observatorio Astronómico de la Universitat de València)
Fragmento de IC 1805, también conocida como nebulosa del Corazón. Situada en la constelación de Casiopea, en ella se puede ver, gracias a los filtros Ha, la ionización producida por las estrellas jóvenes.

La inmensa mayoría de lo que sabemos del universo lo hemos aprendido a través del estudio de la luz proveniente de objetos increíblemente lejanos. La luz no es más que una onda electromagnética (una oscilación en los campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el espacio). Cuando estas ondas inciden en nuestras retinas, solamente si oscilan a un ritmo de entre 400 y 780 billones de veces por segundo serán capaces de producir una señal en nuestros conos y bastones que llegará hasta nuestro cerebro haciéndonos «ver». Por ello, a ese rango de frecuencias lo llamamos «espectro visible» (figura 1). Dentro de esos valores, cada frecuencia produce una sensación distinta: por ejemplo, la luz vibrando entre 400 y 460 billones de veces por segundo nos provoca la sensación de «rojo», debido a que afecta exclusivamente a uno de los tres tipos de conos de nuestra retina (los de tipo R), que envían señales a nuestro córtex visual para producir la sensación ya mencionada.   «Cada frecuencia del espectro visible corresponde a un color, pero esos colores no existen en el mundo exterior: los produce
el cerebro»

5esp-84André Oliva
Figura 1. La luz no es más que una onda electromagnética (una oscilación en los campos eléctricos y magnéticos que se propaga por el espacio). En la imagen, rangos de frecuencias y de longitudes de onda del espectro electromagnético, desde las ondas de radio, menos energéticas, hasta los rayos gamma, más energéticos, pasando por la región visible del espectro. 

Cada frecuencia del espectro visible corresponde a un color, pero esos colores no existen en el mundo exterior: los produce el cerebro. A partir de los tres tipos de conos en nuestra retina (R, G y B, por red, green y blue) y de las relaciones entre sus señales en el córtex visual, construimos los colores: una onda constituida por una frecuencia pura que esté a medio camino entre el rojo y el verde, y que excite por igual los conos tipo R y tipo G, producirá la sensación de amarillo, ya que en el álgebra del color, R + G = Y (yellow, es decir, “amarillo”). Igualmente, dos frecuencias puras que afecten sólo a conos tipo R y sólo a conos tipo G, respectivamente, producirán también la sensación de amarillo. Y lo mismo para cualquier otra combinación que excite por igual esos dos conos y deje de lado al tercero.

Nuestra álgebra del color tiene base tres porque disponemos de tres familias diferentes de conos en la retina (por su parte, los bastones sólo detectan presencia o ausencia de luz, no generan sensación de color sino imágenes en blanco y negro). Pero hay animales que tienen muchos más tipos de receptores del color en sus retinas, como algunos lagartos o aves, con cuatro o cinco conos distintos, o la galera, un crustáceo con dieciséis fotorreceptores cromáticos distintos. Literalmente estos seres pueden ver una gama de colores que nosotros no podemos ni imaginar.

Así, la pregunta que en muchas ocasiones se nos hace a los astrónomos al contemplar una imagen astronómica, acerca de si los colores que se ven en la imagen son «reales», pierde significado una vez establecido que en realidad no existen los colores. Los construimos, y cada especie (incluso cada persona, hasta cierto punto) lo hace de una forma distinta. Lo que sí existen son diferentes frecuencias de vibración de la luz, las cuales nos hablan de fenómenos distintos que tienen lugar en el universo. La forma usual en que los seres humanos las vemos es, por tanto, solamente una interpretación, de forma que podemos inventar libremente otras interpretaciones visuales nuevas a fin de reforzar las características que nos interese estudiar.

   

6a-84Fernando Ballesteros y Alberto Fernández Soto
Figura 2. Trabajar con el contraste y la luminosidad es una de las primeras herramientas con las que cuenta la fotografía astronómica para hacer perceptibles las señales más débiles. Arriba, trío de imágenes de la galaxia M51, próxima pero invisible a simple vista. En a) se muestra tal y como se vería a simple vista a través de un telescopio; en b) vemos esa misma imagen tras ser captada con una cámara con una exposición prolongada y c) nos muestra el resultado una vez procesados los niveles de brillo por ordenador.

HACER VISIBLE LO INVISIBLE

Por ello, la respuesta a si veríamos así el objeto fotografiado si estuviésemos allí sería: no, nunca; en ningún caso. Pero esto no debe preocuparnos. A fin de cuentas, lo que intenta la imagen astronómica es hacer visible lo que es invisible a simple vista. Además, eso ya nos ocurre con las cámaras digitales de consumo. En una cámara fotográfica ordinaria se intenta reproducir aproximadamente la forma en que el ojo y el cerebro funcionan. Pero ¿es realista su comportamiento? La cámara tiene una respuesta lineal, mientras que la de nuestro ojo es logarítmica. Eso quiere decir que al hacer una fotografía del exterior desde una habitación, si el tiempo de exposición es breve, probablemente saldrá bien iluminado el exterior pero el interior de la habitación se verá oscuro. Y si la exposición es más larga, saldrá bien el interior de la habitación pero el exterior estará excesivamente sobreiluminado. En cambio, el ojo es capaz de ver con una iluminación similar ambas cosas al mismo tiempo.

Trabajar con el contraste y la luminosidad es, de hecho, una de las primeras herramientas con las que cuenta la fotografía astronómica para hacer perceptibles las señales más débiles. Fijémonos, por ejemplo, en el trío de imágenes que muestra la galaxia M51 (figura 2), una galaxia cercana pero, pese a ello, invisible a simple vista. Si la mirásemos a través de un telescopio de gran tamaño, la veríamos como la primera de las tres imágenes (2a): un objeto débil, casi imperceptible y sin rastro de color. Esto es porque cuando la intensidad de la luz es poca, los conos no resultan excitados y sólo trabajan los bastones de nuestros ojos, por lo que vemos en blanco y negro. Como el «tiempo de exposición» de nuestros ojos (durante cuánto tiempo acumulamos luz en la retina antes de mandar la señal al cerebro) es breve, de 1/20 de segundo aproximadamente, no podemos acumular mucha luz. Pero si utilizamos una cámara fotográfica podemos acumular luz durante tanto tiempo como queramos. Así, al cabo de cinco minutos de recolección de luz, se nos mostrará una imagen de la galaxia similar a la segunda (2b), en la que podemos apreciar estructuras que antes nos resultaban invisibles. Debido a la respuesta lineal de la cámara, las partes brillantes de la galaxia lo son mucho más que las menos brillantes. Por ello hay que procesar por ordenador la imagen para trabajar con los niveles de luminosidad y contraste, y mostrar toda la información que hay en la fotografía, obteniendo la imagen definitiva (2c).

En realidad, hasta ahora sólo hemos hablado de la intensidad de la luz, y de cómo podemos aumentarla o mejorarla utilizando largas exposiciones o cambios en la respuesta. Pero ¿por qué limitarnos a considerar sólo la intensidad? Del mismo modo que, como hemos visto, nuestros ojos tienen tres tipos de células (cada uno de ellos sensible al rojo, al verde o al azul) también las cámaras digitales tienen tres tipos de detectores en su interior (figura 3). De hecho, una cámara toma a la vez tres imágenes con tres filtros diferentes (de nuevo: rojo, verde y azul) y un programa las transforma automáticamente para que reflejen todos los colores que observamos (o al menos que se asemejen lo más posible). Al acercarnos a las pantallas de muchos dispositivos podemos observar que la imagen en realidad se compone de píxeles de tres colores exclusivamente, pero nuestra percepción los funde al verlos en conjunto. 

   

6b-84Peter Halasz
Figura 3. Del mismo modo que nuestros ojos tienen tres tipos de células (cada uno de ellos sensible al rojo, al verde o al azul) también las cámaras digitales tienen tres tipos de detectores en su interior. Al acercarnos a las pantallas de muchos dispositivos podemos observar que la imagen se compone de píxeles de tres colores exclusivamente, pero nuestra percepción los funde al verlos en conjunto. En la imagen, de izquierda a derecha y de arriba a abajo, diferentes geometrías de los píxeles de un monitor: televisor de tubo catódico, monitor de ordenador de tubo catódico, pantalla LCD de ordenador portátil y monitor LCD estándar, respectivamente. 

   

INFORMACIÓN Y BELLEZA

Así llegamos al «primer paso» en nuestra escala de «falsedad» al acercarnos al concepto de «falso color» utilizado en imágenes astronómicas. Los astrónomos no utilizan en general cámaras fotográficas en color, sino que toman imágenes «en blanco y negro» (es decir, que miden exclusivamente la intensidad de la luz) pero por separado y a través de tres filtros diferentes: R, G y B (red, green y blue). Al representar la imagen se puede asignar a cada uno de los canales de salida (las imágenes parciales en color rojo, verde y azul) la imagen tomada con su propio filtro, y así se reproducirá de modo aproximado lo que sería la visión «real» de la escena (figura 4). 

Hay que tener en cuenta que dentro de la imagen correspondiente a un color puede haber mezclada información diferente, particularmente interesante, o que conviene resaltar. Por ejemplo, las zonas de formación estelar emiten luz en una frecuencia pura correspondiente a 457 billones de oscilaciones por segundo: es la frecuencia de emisión del hidrógeno llamada Ha, que se encuentra dentro de la región roja del espectro. Esta información pasa habitualmente desapercibida en una imagen tomada con un filtro rojo estándar, por lo que existen filtros específicos que solo dejan pasar esa frecuencia bloqueando el resto de la luz, con el objeto de aumentar su relevancia. En el panel de imágenes que muestra una sección del Quinteto de Stephan (figura 5), un grupo compacto de galaxias en la constelación de Pegaso, vemos cuatro imágenes en blanco y negro tomadas con filtros R, G, B y Ha, respectivamente. La quinta es una composición en color a partir sólo de las imágenes R, G y B, es decir, similar a lo que verían nuestros ojos. Pero en la última imagen, también en color, al canal rojo se le ha asignado la suma de la imagen R más la imagen Ha. La fotografía resultante muestra así unas manchas rosadas que indican que la galaxia inferior presenta, en distintas zonas de su disco, una activa formación de estrellas. Esta información no sólo tiene un valor estético, sino que resulta importante para los astrónomos porque muestra que esa galaxia no se comporta como las otras que hay en la imagen.

 

«La visión “real” no tiene por qué ser la mejor… nuestros ojos son una herramienta maravillosa, pero limitada»

7-84Cortesía de Vicent Peris (Observatorio Astronómico de la Universitat de València)
Figura 4. Los astrónomos no utilizan en general cámaras fotográficas en color, sino que toman imágenes «en blanco y negro». Es decir, que miden exclusivamente la intensidad de la luz, pero por separado y a través de tres filtros diferentes: R, G y B (red, green y blue). Al representar la imagen, se puede asignar a cada uno de los canales de salida la imagen tomada con su propio filtro, y así se reproducirá de modo aproximado lo que sería la visión «real» de la escena. Arriba, imágenes en blanco y negro tomadas a través de filtros R, G y B de la nebulosa planetaria NGC 7662 con el telescopio TROBAR de la Universitat de València, y composición final de las tres imágenes para generar una imagen en color.

   
8esp-84Cortesía de Vicent Peris (Observatorio Astronómico de la Universitat de València)
Figura 5. Dentro de la imagen correspondiente a un color puede haber mezclada información diferente, particularmente interesante, o que conviene resaltar. Por ejemplo, las zonas de formación estelar emiten luz en una frecuencia pura correspondiente a 457 billones de oscilaciones por segundo: es la frecuencia de emisión del hidrógeno llamada Ha, que se encuentra dentro de la región roja del espectro. Esta información pasa desapercibida en una imagen tomada con un filtro rojo estándar, por lo que existen filtros específicos que solo dejan pasar esa frecuencia bloqueando el resto de la luz. Arriba, aparecen varias imágenes de la sección del Quinteto de Stephan tomadas desde el observatorio de Calar Alto (Almería). Las cuatro primeras están tomadas respectivamente con los filtros R, G, B y Ha (imágenes en blanco y negro). La quinta es una composición de la imagen en color usando sólo los filtros R, G y B. En la sexta, se ha añadido además la información del filtro Ha. Esta imagen final es importante para los astrónomos porque muestra que la galaxia inferior no se comporta como las otras dos.

Queda claro que la visión «real» no tiene por qué ser la mejor… nuestros ojos son una herramienta maravillosa, pero limitada. Por ejemplo, el sensor de cualquier cámara web o teléfono móvil tiene mucha más sensibilidad en el extremo rojo del espectro. Y para comprobarlo, podemos hacer la siguiente prueba: si apuntamos con un mando a distancia hacia la webcam de un ordenador o a un teléfono móvil, y pulsamos un botón, veremos en la imagen unos destellos que provienen del mando a distancia. Es luz infrarroja, que nuestros ojos no ven, pero que el mando utiliza para mandar señales al aparato con el que se comunica. El rango infrarrojo del espectro incluye gran cantidad de información que interesa a los astrónomos pero que nuestros ojos no nos permiten ver. Por ejemplo, las estrellas más frías, o el polvo que llena gran parte de nuestra galaxia, emiten casi toda su luz en esta longitud de onda. Si nuestras cámaras la captan, ¿por qué no añadirla a nuestras imágenes?

   

FALSo COLOR

Pero vayamos a un «segundo paso» de la escala de «falsedad». En lugar de limitarnos a asignar los colores verdaderos a sus canales correspondientes, podemos ser creativos y, por ejemplo, introducir una imagen infrarroja en el canal rojo de la imagen. Así creamos una imagen que sería «real» si nuestros ojos fueran un poquito más eficientes en ese rango de colores. 

Pero una vez que damos este paso… hemos abierto la caja de Pandora. Por ejemplo, más allá del azul existe la luz ultravioleta, que no atraviesa la atmósfera de la Tierra, por lo que la evolución no ha «considerado» necesario dotarnos de sensibilidad a ella, pero que podemos observar perfectamente con telescopios situados en el espacio. Mientras que el infrarrojo es emitido por objetos fríos, el ultravioleta, al contrario, es emitido por cuerpos muy calientes o en explosiones de gran energía. Podemos crear una visión más amplia del universo si generamos, por ejemplo, una imagen que incluya una toma ultravioleta en el canal azul, una toma visible en el canal verde y una toma infrarroja en el canal rojo. Esta imagen sería como la que tendría un hipotético ojo con visión de gran rango. Es real, aunque ciertamente no tiene nada que ver con lo que veríamos con nuestros propios ojos.

Quizás al llegar aquí algún lector ya piense que realmente podemos dar aún más pasos en la «escala de falsedad»… el ultravioleta y el infrarrojo son invisibles para nuestros ojos, es cierto, pero son rangos de energía (o longitudes de onda) muy cercanos a la luz visible. ¿Qué hay de rangos mucho más extremos, como son los rayos gamma, los rayos X, las microondas o las ondas de radio? 

 

«La imagen astronómica intenta hacer visible lo que es invisible a simple vista»

9-84Fernando Ballesteros (Observatorio Astronómico de la Universitat de València)
Figura 6. Centaurus A es una de las galaxias activas más cercanas a la Tierra, con un núcleo que emite grandes cantidades de radiación en diferentes bandas del espectro electromagnético (radio, infrarrojo, luz visible y rayos X). Todas estas componentes se han tenido en cuenta para confeccionar la imagen final, que incluye información de seis bandas distintas: a) imagen en color en la región visible, con sus tres canales R, G y B, tomada con el telescopio óptico de 2,2 m del European Southern Observatory (La Silla, Chile); b) imagen en ondas de radio (concretamente microondas), tomada desde Atacama (Chile) con el radiotelescopio APEX del Instituto Max Planck, que muestra dos chorros de materia que salen desde el centro de esta galaxia, indicativo de la actividad de un masivo agujero negro en su centro. A esta imagen le asignaremos un color amarillo, por lo que la repartiremos a partes iguales entre el canal R y el G (R + G = Y); c) imagen en infrarrojo tomada por el telescopio espacial Spitzer, de la NASA, que nos permite ver la estructura íntima de la galaxia a través de la banda de polvo en primer plano, y que añadiremos al canal R; d) imagen en rayos X, tomada por el telescopio espacial Chandra de la NASA, donde se aprecian los chorros de materia y cómo sus extremos empujan y calientan el tenue gas que rodea la galaxia, y forman dos burbujas en sus extremos. Esta imagen la añadiremos al canal B. e) El resultado es una bella representación multiespectral de Centaurus A, en falso color pero sin ningún dato falso, que muestra mucha más información que la que puede proporcionar la imagen en color en el visible.

Por supuesto, podemos combinar los canales de color de las imágenes que creamos en el modo que, en cada caso, resulte más conveniente (figura 6). Así podemos llegar a imágenes en las que el término «falso color» alcanza toda su expresión: por ejemplo, una imagen en la que el canal azul contiene datos tomados en rayos X, el rojo incluye datos provenientes de ondas de radio y el canal verde incluye información del rango ultravioleta del espectro. De nuevo, es una imagen real, en el sentido de que cada una de las tomas ha sido realizada con un detector de luz más o menos sofisticado y no ha sido trucada en ningún momento. Pero necesitaríamos a Superman y su visión de rayos X, o al Teniente La Forge (de Star Trek, The New Generation) y su visor conectado directamente al cerebro, para poder decirnos que «así es como lo vemos con los ojos» (¡y ya puestos, añadir unas pupilas tan grandes como un telescopio!).

Fernando Ballesteros. Investigador del Observatorio Astronómico de la Uni­versitat de València.
Alberto Fernández Soto. Científico titular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC), Santander.
© Mètode 84, Invierno 2014/15.

   
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