Archivo de diciembre, 2019

¿Cómo suena un agujero negro?

Por Enrique Pérez Montero (CSIC)*

La mayoría de las personas piensan que el sentido de la vista es imprescindible para estudiar los astros, dado que ninguno de los otros cuatro sirven para darnos información sobre ellos.

El gusto, el olfato y el tacto están basados en el contacto directo de nuestros receptores con moléculas y átomos, mientras que el oído requiere que las vibraciones que producen el sonido se transmitan a través de un medio material. Es imposible que una onda sonora sea capaz de surcar el vacío del medio interplanetario, interestelar o intergaláctico para traernos información sobre cuerpos que se encuentran a distancias difíciles de concebir. En cambio, la luz puede atravesar sin problemas ese vacío y traer con ella datos sobre el brillo y el color de las estrellas y las galaxias más lejanas.

agujero negro

Primera imagen real en la historia de un agujero negro. Se trata de un agujero supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87, presentado el 10 de abril de 2019 por el consorcio internacional Telescopio del horizonte de sucesos.

De lo que muchas personas no son conscientes es que la inmensa mayoría de la información que los astrónomos utilizamos para analizar los astros es invisible. Esto se explica en parte por la debilidad de la luz que nos llega del cosmos y que, solo parcialmente, logramos compensar con el uso de telescopios –que recolectan y concentran esa débil señal–, fotografías –que recogen en un tiempo extendido esa luz para su mayor definición– o de la espectroscopia –que ayuda a descomponer la luz por su contenido energético, algo que el ojo es incapaz de hacer por sí mismo más allá de la percepción de los colores–.

Pero es que además la mayoría de la radiación electromagnética emitida por los cuerpos luminosos que hay en el cosmos es imperceptible para el ojo humano, capaz únicamente de captar una estrecha franja de energía llamada luz óptica y que abarca los colores a los que estamos acostumbrados a ver. Afortunadamente, en el último siglo se han desarrollado un gran número de instrumentos para sondear el espacio –muchos de ellos en órbita alrededor de nuestro planeta– y recoger todas esas radiaciones, que van desde las ondas de radio hasta los rayos gamma.

Entonces, ¿cómo nos las apañamos los astrónomos para analizar esas imágenes si son invisibles? El truco está simplemente en que luego esa información puede traducirse a señales eléctricas que, a su vez, se traducen a un canal que sea perceptible para el científico que las analiza. Normalmente esa traducción se produce usando imágenes que representan esa información en colores y contrastes fácilmente reconocibles. De hecho, casi siempre esas imágenes se modifican para combinar distintos filtros o limpiarlas de otras señales que pueden alterar las medidas que se quieren tomar, o simplemente porque se quiere realzar su belleza, por lo que al final las imágenes no son completamente fieles a la realidad.

Por tanto, debemos siempre distinguir entre lo que los instrumentos precisos miden y la manera en que nosotros nos relacionamos con las medidas que esos instrumentos nos están mostrando: el hecho de ver en una imagen una exposición de una galaxia tomada en rayos X no quiere decir que seamos capaces de ver en rayos X.

En ese caso, ¿qué nos impide hacer esa misma traslación a algún otro canal que podamos percibir? Transformar en sonidos o, dicho de una manera más formal, sonificar los datos astronómicos no solo es posible, sino que en algunas ocasiones puede ser conveniente.

Un ejemplo muy claro lo constituye el poder enseñar conceptos astronómicos a personas con discapacidad visual, que pueden acceder a la información sobre el cosmos a través de los sonidos. En las actividades de divulgación que llevamos a cabo en el proyecto Astroaccesible, que tiene como fin explicar astronomía de una manera inclusiva, hemos enseñado a personas ciegas por vez primera una lluvia de estrellas fugaces, la caída de la noche con la aparición de miles de estrellas o el brillo de una aurora boreal.

De hecho, la sonificación ayuda a entender mejor a las personas que no tienen ningún problema de visión algunos procesos que tienen una variación temporal, como la caída de gas en un agujero negro (escucha el vídeo que aparece a continuación), la evolución de una estrella o la expansión del universo.

Todo esto hace de las sonificaciones un recurso muy inclusivo y rico en matices, ya que podemos usar las distintas características del sonido para transmitir diversos conceptos. Además, en el caso de los sonidos es más fácil darse cuenta de que la elección de los parámetros usados para codificar una señal eléctrica –básicamente, volumen, tono y timbre– es arbitraria y no hay reglas fijas en su utilización; al contrario de lo que ocurre en las imágenes, donde a veces se toman por ciertas muchas características arbitrarias que no están totalmente justificadas en la realidad. Esto hace que las sonificaciones redunden en un mejor juicio crítico con respecto a las medidas y representaciones visuales.

Por otro lado, la utilidad de los sonidos para el análisis de datos astronómicos no se limita solo a su uso con fines educativos o divulgativos. Este recurso está ayudando a algunos astrónomos ciegos de todo el mundo a analizar datos de manera directa. No solo eso, sino que la transformación en sonidos de ciertas medidas ayuda a otros astrónomos a detectar mejor ciertas variaciones dinámicas, así que es un recurso que empieza a extenderse entre los astrónomos que estudian astrosismología o participan en la búsqueda de planetas extrasolares a partir de los tránsitos u ocultaciones (escucha el vídeo que aparece a continuación).

Sin duda, en los próximos años veremos una mayor proliferación de este recurso y pronto nos acostumbraremos a ver las animaciones e imágenes que nos tratan de explicar cómo funciona el universo acompañadas de su correspondiente sonificación, que nos ayudará a entenderlo mejor.

Para saber más:

Proyecto Astroaccesible: http://astroaccesible.iaa.es

Proyecto Cosmonic de sonificación: http://rgb.iaa.es/cosmonic

 

* Enrique Pérez Montero es investigador del CSIC en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA).

¿Cuánto pesa un fantasma? Los aprietos de la ciencia para averiguar la masa del neutrino

Por Pablo Fernández de Salas*

Todo lo que podemos ver en el planeta Tierra, en nuestra galaxia o incluso más allá de sus límites se ha formado a partir de bloques pequeños. Como piezas de LEGO muy avanzadas, se combinan hasta dar forma a los objetos que existen en el mundo. Estos bloques son las partículas elementales, es decir, partículas indivisibles, las pequeñas piezas que ya no podemos separar más. Entre las partículas elementales más conocidas están los fotones (los constituyentes de la luz) y los electrones (los que permiten que haya corriente eléctrica). Los protones y neutrones, sin embargo, son en realidad partículas compuestas, formadas por la unión de tres partículas elementales llamadas quarks.

Todas las partículas elementales conocidas son diferentes. Algunas tienen carga eléctrica, otras no tienen masa, pero entre ellas hay una que ha fascinado especialmente a los físicos, incluso después de que se supiera su existencia. Se trata del neutrino. En realidad, neutrino no hay solo uno, sino tres tipos distintos que se diferencian según su forma de interactuar con las demás partículas. Pero esta interacción es tan débil que los neutrinos pueden atravesar fácilmente materiales muy densos, ¡incluso el planeta Tierra! Por este motivo, al neutrino a veces se lo conoce como la partícula fantasma.

Experimento KATRIN

Espectrómetro del experimento KATRIN, cuyo objetivo es descubrir la masa del neutrino, pasando por Eggenstein-Leopoldshafen, Alemania, en 2006 de camino al Instituto Tecnológico de Karlsruhe. / Karlsruhe Institute of Technology.

Los neutrinos son unas partículas elementales muy especiales, ya que no se comportan como las demás. En concreto, como vemos, su capacidad de interacción es inusualmente baja, pero lo que más sorprende a los físicos es que los neutrinos cambian de tipo según se mueven. Son, por así decirlo, como jugadores de fútbol que pasan continuamente de un equipo a otro, cambiando su chaqueta con un patrón oscilatorio, de ida y vuelta constante. Precisamente, el descubrimiento de esta propiedad, conocida como oscilación de los neutrinos, motivó la concesión del Premio Nobel de Física al físico japonés Takaaki Kajita y al físico canadiense Arthur B. McDonald en 2015.

La oscilación de los neutrinos es importante porque nos asegura que estas partículas elementales tienen masa. Podría no haber sido así. De hecho, el modelo estándar de física de partículas, la teoría que describe el comportamiento de todas las partículas elementales conocidas, predice que los neutrinos son partículas sin masa, al igual que los fotones. Pero, si este fuera el caso, ¡los neutrinos no cambiarían de tipo cuando se propagan! Este es otro motivo por el que la oscilación de los neutrinos es tan importante: nos indica que hay física por descubrir más allá del modelo estándar.

Modelo estándar

Conjunto de partículas elementales conocidas y que constituyen el denominado modelo estándar de la física de partículas.

Entonces, ahora que sabemos que los neutrinos tienen masa es cuando nos podemos hacer la pregunta: ¿cuánto pesa un neutrino? (o lo que es casi lo mismo: ¿cuánto pesa un fantasma?). La dificultad de esta tarea es obvia: no podemos atrapar un neutrino, que se mueve a velocidades muy, muy cercanas a la de la luz, y ponerlo en una balanza. Además, debido a la poca capacidad de interacción que tienen estas partículas, tampoco podemos aplicar las técnicas que fueron utilizadas para conocer el peso de los electrones, cuya manera de curvarse en un campo magnético depende del valor de su masa.

No puedes poner un neutrino en una balanza

A día de hoy, los físicos han ideado varias formas independientes de pesar los neutrinos, de las cuales destacan dos. La primera consiste en estudiar el efecto de la masa de estas partículas en el universo. Pero, ¿cómo puede una partícula tan pequeña afectar a todo el universo? La clave está en la exorbitante cantidad de neutrinos que surca el espacio desde los primeros instantes tras el Big Bang. Aproximadamente, el volumen de un vaso de agua contiene unos cien mil neutrinos cósmicos. ¡Imagina cuántos vasos de agua son necesarios para llenar no solo el planeta Tierra, sino todo el universo! La presencia de tal cantidad de neutrinos a lo largo de la historia del cosmos cambia, entre otras cosas, la manera en que las galaxias se distribuyen en el espacio. En especial, cuanto más ligeros son los neutrinos, más dispersa es la distribución de las galaxias, y eso es algo que podemos observar.

Distribución de galaxias locales generada con los datos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Cada punto representa una galaxia. / SDSS

El segundo método consiste en estimar la masa de los neutrinos en el laboratorio. Como ya hemos mencionado, no podemos colocar un neutrino en una balanza, así, sin más. En lugar de ello, para pesar un neutrino en un laboratorio los científicos explotamos uno de los principios más básicos de la física: la conservación de la energía.

Uno de los procesos en los que se producen los neutrinos es en un tipo de desintegración radiactiva de los núcleos atómicos. Por ejemplo, cuando un neutrón que forma parte del núcleo se transforma en un protón. Como resultado de esta desintegración, el núcleo atómico produce un electrón (la conocida radiación beta) y un neutrino. De hecho, fue estudiando la energía de los electrones de la radiación beta como se supo en primer lugar que tenía que existir el neutrino, conclusión a la que llegó el físico Wolfgang Pauli en el año 1930.

Hoy en día, varios experimentos siguen estudiando la energía de dichos electrones, esta vez en busca del valor de la masa de los neutrinos. Cuando un átomo se desintegra emitiendo radiación beta, produce tanto un electrón como un neutrino, de modo que toda la energía que es radiada se distribuye entre estas dos partículas.

Si los neutrinos no tuvieran masa, podría ocurrir de vez en cuando que el electrón emitido adquiriera toda la energía liberada en el proceso. Sin embargo, como sabemos gracias a la famosa expresión E=mc² de Albert Einstein, crear cierta cantidad de masa cuesta una determinada cantidad de energía. Y los neutrinos tienen masa, algo que hemos aprendido al descubrir que oscilan al desplazarse. Por lo tanto, el electrón emitido en la radiación beta nunca podrá absorber toda la energía liberada en la desintegración atómica, ya que una parte es necesaria para crear la masa del neutrino, aunque este se produzca en reposo.

Uno de los experimentos más importantes que busca descubrir la masa del neutrino, basándose en la conservación de la energía en la radiación beta, es el experimento alemán KATRIN. Desafortunadamente, la masa del neutrino es tan pequeña que incluso la avanzada tecnología actual no nos ha permitido discernir todavía el peso de estas partículas. Sin embargo, los físicos podemos poner un límite superior al valor de su masa.

Recientemente, el equipo de investigadores que pertenecen al experimento KATRIN ha publicado sus primeros resultados, que nos dicen que el valor de la masa de los neutrinos tiene que ser inferior a dos millonésimas partes de la masa de un electrón. ¡Haría falta cerca de un cuatrillón (¡un uno seguido de veinticuatro ceros!) de neutrinos para alcanzar el peso de una minúscula mota de polvo! Por otro lado, el estudio de las propiedades cosmológicas de nuestro universo nos indica que los neutrinos podrían ser incluso diez veces más ligeros que el límite obtenido por KATRIN.

Con una masa tan pequeña y una capacidad de interacción casi nula, no es de extrañar que el neutrino sea conocido como la partícula fantasma.

 

* Pablo Fernández de Salas es investigador de la Universidad de Estocolmo. Hizo el doctorado en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia.

¿Cuándo empezamos a sentir? Electricidad en los circuitos cerebrales

Por Óscar Herreras (CSIC)*

¿Sentimos lo mismo ante una misma situación? Es evidente que no. Cada objeto, emoción o concepto se graba en circuitos neuronales por la propia experiencia de cada individuo, y para esto no hay manuales, no hay genes. Pero, ¿qué entendemos por sentir? Como casi todos los conceptos que empleamos para definir el comportamiento humano, este también tiene su origen en la era precientífica, de ahí sus mil significados.

Etimológicamente, sentir significa dirigirse hacia donde nos indican los sentidos. Implica, por tanto, percepción y movimiento. ¡Casi nada! Las dos principales propiedades de la vida animal. Afortunadamente, hay una disciplina que estudia las funciones del sistema nervioso y nos las explica con el lenguaje común de la física: la neurofisiología. De ella aprendimos hace ya más de un siglo que todo lo que se percibe –sonidos, imágenes, olores– se traduce y se transmite en los circuitos nerviosos como actividad eléctrica. Desde el instante en que vemos un anuncio de chocolate hasta el momento en el que los músculos nos llevan a la tienda, todo es actividad eléctrica fluyendo por los circuitos neuronales. Esta puede ser la definición mínima de sentir. Y no es para menos: la electricidad es la clave de la vida.

Todas las células, no solo las neuronas, son bolitas de grasa que contienen electrolitos en su interior, como si fueran la batería de un coche. Buena parte de estas células son excitables, lo que les permite generar corriente. Las neuronas evolucionaron dominando este juego de una forma espectacular: pueden codificar en forma de impulsos eléctricos lo que percibimos del mundo exterior e interaccionar con él enviando órdenes a los músculos. Sin flujo eléctrico a través de los circuitos nerviosos no hay sensación, no hay movimiento. La electricidad es lo que diferencia a los circuitos vivos de los muertos, así de simple.

Circuitos de la corteza cerebral

Diversos tipos neuronales forman los complejos circuitos en la corteza cuya actividad eléctrica y funciones madurarán lentamente en la infancia. /López-Mascaraque, Instituto Cajal, CSIC

No obstante, ¿es esta la única función de la electricidad en el sistema nervioso? No, ni mucho menos. Recientemente, nuestro grupo ha mostrado que la actividad eléctrica de la corteza cerebral sensorial en roedores jóvenes, aunque es similar a la de los adultos, está generada por circuitos diferentes. Este hallazgo, publicado en Journal of Neuroscience, es relevante porque previamente sabíamos que los circuitos ya estaban formados a esa edad, y ahora podemos concluir que aún no están plenamente operativos. En este caso, se trataba de los circuitos que controlan las patas, y sabemos que en unos pocos días más, cuando el animal entrene un poco, la electricidad fluirá por sus circuitos como en un adulto. Esta maduración tardía de los circuitos corticales a medida que se usan revela un patrón de economía biológica.

Lejos de ser canales fijos de comunicación, los circuitos son extremadamente mutables, y es nuestra actividad diaria la principal promotora de sus adaptaciones. El entrenamiento es esencial. Los recién nacidos entrenan días, meses y años para adquirir nuevas funciones y capacidades, tiempo en el que la electricidad irá produciendo los cambios necesarios para que todos los segmentos del circuito sean activos y engranen perfectamente.

Corteza cerebral rata adolescente

Los circuitos de la corteza cerebral están organizados en estratos de neuronas diferentes. /Silvia Tapia, Instituto Cajal, CSIC

Suele decirse que hay un mapa genéticamente determinado de nuestros circuitos, y esto es correcto, pero solo en parte. Sin la electricidad, los circuitos no se forman o lo hacen de manera aberrante, como mostraron hace más de medio siglo los Nobeles Hubel y Wiesel al observar que, impidiendo la visión de un ojo unos pocos días tras el parto, los circuitos de la corteza visual eran aberrantes. Hallazgos más recientes muestran que la actividad eléctrica es imprescindible para activar los genes necesarios en la construcción de los circuitos. Así, en esta época en la que todo parece consecuencia de un plan genético determinado para cada especie y cada individuo, resulta que la energía eléctrica determina cuándo, cuánto y cómo se va a ejecutar ese plan. La electricidad no es solo la energía que permite a un organismo complejo ejecutar sus funciones, sino que además controla sus propios cambios estructurales para adaptarse al medio con el que tiene que interaccionar, y permite que este interactúe con nosotros generando electricidad en nuestros órganos sensoriales y cambios en nuestro sistema nervioso.

Medicina sin fármacos

Estudiar y catalogar la electricidad en el cerebro no es fácil; hay demasiados núcleos activos a la vez realizando gran cantidad de funciones. Sus cambios son tan rápidos que es muy difícil clasificarlos para interpretar qué información llevan, que función realizan y si es normal o patológica. Si hoy la ciencia pone el énfasis en las alteraciones moleculares y génicas como responsables de las patologías, algunos investigadores vemos la electricidad como la causa última, y ya vislumbramos el día en que un conocimiento exhaustivo de la actividad eléctrica en los circuitos nos permita interactuar con ellos para reconducir las anomalías estructurales que causan las deficiencias. Aquí está una de las posibles claves de la investigación futura. Medicina sin fármacos. Sabemos que la actividad eléctrica debe seguir un patrón preciso para generar cambios en la estructura, tanto a nivel celular como en los circuitos. Ya hace décadas que se está empleando estimulación eléctrica con patrones temporales muy precisos para tratar la epilepsia y la enfermedad de Parkinson, y ahora se están desarrollando tecnologías para muchas otras patologías, como el alzhéimer o la migraña, o para restablecer funciones perdidas tras un ictus cerebral.

En definitiva, sentimos de manera diferente porque la actividad eléctrica fluye por distintas partes de nuestros circuitos, bien porque seamos un reptil o un primate, un embrión o un adulto, o bien porque usemos la parte reptiliana de nuestro cerebro o dejemos llegar la corriente eléctrica hasta la corteza. Así, si queremos comprendernos a nosotros mismos y nuestras patologías, seamos primates y estudiemos la actividad eléctrica del cerebro.

* Óscar Herreras es investigador del Instituto Cajal del CSIC.