A diferencia de lo que ocurre en la Tierra, la mayor parte del agua que se halla en el espacio toma la forma de vapor o de capas de hielo adheridas a los granos de polvo interestelar. Esto se debe a que la densidad extremadamente baja del espacio interestelar, billones de veces menor que la del aire, impide la formación de agua líquida.
Las moléculas de agua experimentan fluctuaciones en su nivel de energía. Este hecho nos permite observarlas y se conoce como transiciones del agua. Cada transición tiene asociada una longitud de onda exacta en la que las moléculas de agua emiten luz (invisible al ojo humano) cuando van de un estado cuántico a otro.
La mayoría de estas transiciones no son muy energéticas, por lo que las observamos en el infrarrojo lejano, con longitudes de onda que oscilan entre las cincuenta y las mil micras. Observar las transiciones del agua desde tierra resulta muy difícil porque el vapor de agua de la atmósfera bloquea casi por completo la emisión procedente del espacio. Sin embargo, las mejoras en la tecnología y el desarrollo de nuevos telescopios permiten detectar algunas de las transiciones que antes nos estaban vedadas. Para observarlas hay que ir a observatorios situados a gran altitud y en lugares extremadamente secos, como el Atacama Large Millimeter Array (ALMA), situado en el desierto de Atacama (Chile) a cinco mil metros sobre el nivel del mar.  

En un estudio que hemos publicado recientemente en Astronomy & Astrophysics utilizamos ALMA para detectar por primera vez en el espacio la transición del agua a 670 micras procedente de una galaxia espiral situada a unos 160 millones de años luz. La emisión de vapor de agua en esta galaxia se origina en su núcleo, donde se concentran los procesos de formación de estrellas y cuyo diámetro mide unos quince millones de veces la distancia de la Tierra al Sol.
Pero, ¿qué distingue esta transición del agua de otras observadas en el pasado? Nuestro análisis muestra que las moléculas de agua incrementan su emisión cuando entran en contacto con fotones de luz infrarroja y este aumento en la actividad hace que sean más fáciles de detectar. Las moléculas de agua se sienten atraídas por fotones con longitudes de onda de 79 y 132 micras que, cuando se absorben, dan lugar a la transición del agua que observamos a 670 micras. Por esta razón, esta transición concreta del agua tiene la capacidad de mostrarnos la intensidad de la luz infrarroja en el núcleo de galaxias, a escalas espaciales mucho más pequeñas que las permitidas por observaciones infrarrojas directas.
La luz infrarroja se produce durante eventos como el crecimiento de agujeros negros supermasivos o episodios extremos de formación estelar. Estos acontecimientos ocurren generalmente en ambientes extremadamente oscurecidos donde la luz óptica es absorbida casi por completo por granos de polvo. La energía absorbida por estos granos de polvo aumenta su temperatura y hace que empiecen a emitir radiación térmica en el infrarrojo.
El estudio de estos eventos oscurecidos puede darnos mucha información sobre cómo se comporta el universo, por lo que la detección de transiciones de agua, que pueden capturar esta luz infrarroja, resulta fundamental.
En el futuro, planeamos observar esta transición del agua en otras galaxias donde el polvo bloquea la luz óptica. Esto revelará lo que se esconde detrás de estas nubes de polvo y nos ayudará a entender cómo las galaxias evolucionan desde espirales con altas tasas de formación de estrellas, como la Vía Láctea, hasta galaxias elípticas envejecidas donde ya no nacen nuevas estrellas.

Este artículo ha sido publicado previamente en el blog de ciencia de la Universidad de Oxford (Oxford Science blog).