Archivo de la categoría ‘Astronomía’

Encuentros temporales entre astronomía y prehistoria

Por Enrique Pérez Montero y Juan F. Gibaja Bao (CSIC) *

Entre las estrategias que usa la ciencia para facilitar el entendimiento de la naturaleza está la de proporcionar medidas que ayuden a fijar en una escala espacio-temporal aquellos objetos o eventos que estudia. No obstante, si el objeto de estudio sobrepasa las escalas que nos son familiares, puede ser complicado hacerse una idea de lo que esos números representan.

Uno de los casos donde esto ocurre de forma más clara es en la astronomía. Suele ser muy complejo distinguir la diferencia entre los cientos de miles de kilómetros a los que un asteroide ha pasado de la Tierra (en algunos medios de comunicación a veces se dice que nos ha pasado rozando), y los miles de millones de pársecs (unidad de longitud equivalente a 3,2616 años luz) a los que se encuentra la última galaxia de turno que ha roto el récord de distancia en el universo.

Esto mismo sucede incluso con escalas más pequeñas y cercanas, como la histórica. Al hablar de la prehistoria metemos en el mismo saco temporal a los primeros homínidos de hace unos 2,5 millones de años y a los últimos cazadores-recolectores del Mesolítico, que habitaron en ciertas zonas del Atlántico y Norte de Europa hace cerca de 5.000 años.

En el caso de la astronomía, una escala de distancia que trata de solventar esta dificultad es la basada en la velocidad de la luz, que viaja a unos 300.000 kilómetros por segundo. En el entorno de nuestro planeta esta escala no resulta práctica, ya que a un rayo de luz le da tiempo a dar siete vueltas y media a la Tierra en un solo segundo. Sin embargo, resulta mucho más cómodo y fácil imaginar que el Sol, la estrella que ilumina cada día nuestras vidas, está a 8 minutos y 20 segundos de distancia-luz, en vez de expresar que está a 150 millones de kilómetros. Es decir, podríamos recordar qué hicimos durante esos 8’20’’ transcurridos desde que los primeros rayos salieron del sol y llegaron a nuestro planeta.

El nacimiento de la escritura y la nebulosa de la Mariposa

Para poder entender la magnitud de la que hablamos proponemos hacer coincidir varios eventos de la historia de la humanidad con la distancia-luz a la que se encuentran algunos de los objetos astronómicos más notables. Así, por ejemplo, tomemos como punto de partida de nuestro viaje el momento en que se fija el inicio de la historia, el nacimiento de la escritura hace unos 3.500 años en Mesopotamia, en el extremo oriental del Mediterráneo. Poco después de ese momento partió la luz que los telescopios captan hoy en día desde la nebulosa de la Mariposa, también denominada NGC 6302, a 3.400 años-luz en la dirección de la constelación de Escorpio.

Nebulosa de la Mariposa. / NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team

Estas nubes de gas se produjeron cuando una estrella de masa intermedia, más o menos como nuestro Sol, terminó de fusionar los últimos elementos ligeros que se encuentran en el núcleo para crear otros más pesados. En ese momento, dicho núcleo se compactó para formar una enana blanca y las capas externas fueron eyectadas al medio interestelar.

¿Qué pasó en el cielo durante el inicio del Neolítico?

Otro momento relevante del desarrollo de la humanidad es el inicio de la domesticación de animales y vegetales, lo que conocemos como Neolítico. Aunque las primeras evidencias se documentan en Próximo Oriente hace unos 10.000 años, en pocos siglos aquellas comunidades ocuparon toda Europa. Sin duda, nosotros y nosotras somos sus más directos herederos. En ese mismo momento el cúmulo globular Messier 22, a 10.400 años-luz de distancia, nos envió la luz que hoy podemos ver. Este cúmulo se sitúa en la dirección de la constelación de Sagitario y está muy cerca del bulbo de nuestra galaxia. Está formado por una asociación de decenas o centenas de miles de estrellas, algunas de las cuales se cuentan entre las más antiguas de la Vía Láctea.

En la actualidad los observatorios infrarrojos espaciales y radiotelescopios de la Tierra recogen la radiación electromagnética que salió hace 28.000 años de Sagitario A*, que es como se denomina al núcleo de nuestra galaxia. Hoy sabemos que en el centro de la Vía Láctea hay un agujero negro supermasivo con una masa equivalente a cuatro millones de veces la de nuestro Sol. La presencia de un agujero negro tan enorme en esta posición no es algo anormal, sino un hecho común a todas las galaxias de tamaño similar a la nuestra. Cuando la radiación electromagnética porcedente de Sagitario A* inició su camino hacia la Tierra, algunos de nuestros antepasados más antiguos como especie, el Homo Sapiens, entraban en las cuevas de Altamira para pintar los magníficos bisontes, ciervos, manos y signos, tan enigmáticos a nuestros ojos contemporáneos.

Imagen de las cuevas de Altamira. / Museo de Altamira, D. Rodríguez

El origen del Homo Sapiens y la Gran Nube de Magallanes

Los Homo Sapiens aparecieron en África hace unos 150.000 años, momento en el que la luz emergía de la Gran Nube de Magallanes, más allá de los límites de nuestra galaxia. Esta es la más brillante entre las numerosas galaxias enanas satélite de la Vía Láctea. En ella se encuentra la nebulosa de la Tarántula, donde se halla el criadero de estrellas más masivo de todo nuestro grupo local de galaxias. En esta región se están creando más de diez nuevas estrellas por año y algunas de ellas son tan masivas que provocan vientos galácticos que arrastran el gas a cientos de kilómetros por segundo.

Los primeros homínidos y la galaxia de Andrómeda

Finalmente, si mirásemos por una máquina del tiempo qué ocurría en la Tierra hace dos millones y medio de años, observaríamos el origen de la Humanidad. En aquel momento, nuestros tatarabuelos los Homo Habilis habitaban en África y comenzaban a hacer algo que ninguna especie en nuestro planeta había hecho: transformar la naturaleza para crear instrumentos. Es el inicio de la tecnología, los primeros pasos de lo que hoy son nuestros móviles, telescopios o naves espaciales. Precisamente, a esa distancia espacio-temporal se encuentra la galaxia de Andrómeda o M31. Es el objeto más cercano a la Vía Láctea de un tamaño y masa parecidos. Su descubrimiento, realizado en la década de 1920 gracias a Edwin Hubble, nos concienció de que las galaxias eran numerosas y de que la nuestra no constituía todo el universo.

Galaxia Andrómeda. / Wikipedia, Boris Štromar

Todavía nos parece irreal pensar que su luz haya viajado más tiempo del recorrido por nuestra especie desde nuestro tatarabuelo Habilis. Y eso que es la galaxia más cercana a nosotros, en un universo que alberga miles de millones de ellas. Todo un desafío para nuestra comprensión sobre su inmensidad.

 

* Enrique Pérez Montero es investigador del el Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC e investigador principal del proyecto de divulgación Astronomía Accesible, que tiene como fin el fomento de la astronomía entre las personas con discapacidad. Juan F. Gibaja Bao es investigador en la Escuela Española de Historia y Arqueología en Roma del CSIC y dirige y participa en diversos proyectos de divulgación científica, como Ciencia Incluisva.

¿Cómo se mide el tiempo en Marte?

Por Juan Ángel Vaquerizo (CSIC-INTA)*

La respuesta, a priori, es sencilla: en Marte, el tiempo se mide utilizando el Sol. El segundo planeta más pequeño del Sistema Solar y cuarto en cercanía al Sol gira en torno a su eje con un periodo de 24,6 horas, lo que supone que el día solar marciano es aproximadamente un 3% más largo que el día solar terrestre. En concreto, un día en Marte tiene una duración de 24 horas, 39 minutos y 32,55 segundos, lo que se denomina sol.

Amanecer en Marte. / NASA/JPL-Caltech/Doug Ellison/PIA 14293

Amanecer en Marte. / NASA/JPL-Caltech/Doug Ellison/PIA 14293

En la superficie de Marte se utiliza la hora solar local para la medida del tiempo de las misiones que han aterrizado allí. Cada misión tiene su propio tiempo solar local, que estará determinado por su ubicación en el planeta. A pesar de que Marte dispone de un meridiano cero para referir las longitudes geográficas, no tiene zonas horarias definidas a partir de ese meridiano como ocurre en la Tierra. Por tanto, la separación en longitud geográfica de las misiones entre sí determinará la diferencia horaria entre las mismas.

Para determinar el calendario marciano hubo más controversia. Sin embargo, para el día a día de las misiones que han aterrizado en Marte, se ha optado por un criterio más simple: contar los días (soles) en Marte a partir del momento del aterrizaje, que pasa a denominarse sol 0. Por ejemplo, la misión InSight de la NASA (que, por cierto, contiene un instrumento español desarrollado en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA): los sensores mediambientales TWINS) ha sido la última en aterrizar sobre la superficie marciana. Lo hizo el 26 de noviembre de 2018, lo que supone que la nave pasa en Marte hoy su sol 784.

InSight en la superficie marciana. / NASA/JPL-Caltech

InSight en la superficie marciana. / NASA/JPL-Caltech

Las estaciones en el planeta rojo

Del mismo modo que un sol en Marte dura más que un día en la Tierra, la duración del año marciano es también mayor que el terrestre, pues al estar más alejado, describe su órbita alrededor del Sol más lentamente que la Tierra. Un año marciano tiene 668,6 soles, lo que equivale a 687 días terrestres. Esta mayor duración del año hace que las estaciones en Marte sean más largas que las terrestres.

Entonces, ¿hay también estaciones en Marte? Pues sí, en Marte se producen estaciones a lo largo del año debido a que el eje de rotación de Marte también está inclinado respecto al plano de la eclíptica (el plano imaginario en el que los planetas del Sistema Solar giran alrededor del Sol). Esta inclinación del eje, conocida como oblicuidad, es de 25,2° en Marte, un poco mayor que los 23,4393° de la Tierra. Además, la órbita de Marte es más excéntrica que la terrestre.

La órbita más elíptica de Marte provoca que sus estaciones tengan duraciones muy diferentes entre sí, de manera que las primaveras marcianas en el hemisferio norte y los otoños en el hemisferio sur duran 194 soles, siendo así las estaciones más largas. Las estaciones más cortas en Marte son los otoños en el hemisferio norte y las primaveras en el sur, con una duración de solo 142 soles. Los inviernos en el hemisferio norte y los veranos en el sur duran 154 soles; y, finalmente, los veranos en el hemisferio norte y los inviernos en el sur duran 178 soles.

A vueltas con el calendario marciano

Pero, ¿qué ocurre con el calendario marciano? En la Tierra los meses vienen determinados por el ciclo lunar, pero Marte tiene dos lunas, los dos satélites naturales llamados Fobos y Deimos. Como curiosidad, las lunas del planeta vecino reciben sus nombres de la mitología griega: Fobos significa ‘miedo’ y Deimos ‘terror’, y son los nombres de los caballos que tiraban del carro de Ares, el dios griego de la guerra, equivalente al dios romano Marte.

Captura de parte de la órbita que realiza Fobos alrededor de Marte. / NASA, ESA y Z. Levay (STScl)

Captura de parte de la órbita que realiza Fobos alrededor de Marte. / NASA, ESA y Z. Levay (STScl)

Los periodos de Fobos y Deimos son muy cortos, por lo que utilizar el mismo sistema que en la Tierra resulta inútil. Por ello, se eligió dividir el año en segmentos más o menos similares, más largos que nuestros meses, que cubrieran todo el periodo orbital. Los astrónomos Percival Lowell, Andrew E. Douglass y William H. Pickering, Robert G. Aitken y sir Patrick Moore diseñaron calendarios marcianos con mayor o menor suerte, pero no fue hasta 1986 cuando el ingeniero norteamericano Thomas Gangale publicó el calendario dariano, llamado así en honor a su hijo Darius.

En el calendario dariano, el año marciano se divide en 24 meses para acomodarlo manteniendo la noción de un “mes” razonablemente similar a la duración de un mes de la Tierra. El año cero del calendario se situó inicialmente en 1975, año del primer aterrizaje con éxito en la superficie de Marte de una nave estadounidense, con las misiones Viking. Más tarde, se definió como nuevo año cero para el calendario el año 1609, como doble homenaje a la publicación de las leyes de Kepler y la primera observación con un telescopio realizada por Galileo.

MY (martian year) y Ls (longitud planetocéntrica)

La Planetary Society decidió finalmente no emplear un calendario como tal, sino utilizar la longitud planetocéntrica del Sol, conocida como Ls (ángulo que indica la posición de Marte en su órbita alrededor del Sol), para medir la época del año en Marte y que funcionaría a modo de fecha marciana. Así, el valor Ls = 0° corresponde al paso de Marte por el punto vernal, es decir, el equinoccio de primavera en el hemisferio norte marciano; el valor 90° corresponde al solsticio de verano boreal; 180° al equinoccio de otoño boreal y 270° al solsticio de invierno boreal.

En este calendario, el año marciano 1 o MY1 (por sus siglas en inglés) comenzó oficialmente el día 11 de abril de 1955 a las 00:00 h UTC y terminó el 26 de febrero de 1957 a las 00:00 h UTC. El motivo de elegir esta fecha fue hacer coincidir el comienzo del calendario con la tormenta global de polvo que se observó en Marte en 1956. El comienzo de la estación de tormentas de polvo en Marte se produce justo después del paso por el perihelio, el punto de la órbita más cercana al Sol y donde más rápido se desplaza, sobre Ls = 260°.

Posteriormente, el calendario se extendió y se determinó el año marciano 0, MY0, que comenzó el día 24 de mayo de 1953 a las 00:00 h UTC. Cualquier año anterior llevaría delante el signo menos. Por tanto, MY-1 comenzó el 7 de julio de 1951, el MY-2 el 19 de agosto de 1949, y así sucesivamente. Como curiosidad, la primera observación conocida de Marte con un telescopio, realizada por Galileo a finales del año 1610, correspondería al MY-183.

El róver Curiosity en Marte. / NASA/JPL-Caltech/MSSS

El róver Curiosity en Marte. / NASA/JPL-Caltech/MSSS

Así pues, con este criterio de designación de fechas, el róver Curiosity (que lleva a bordo el otro instrumento español en Marte: REMS, la estación medioambiental también del Centro de Astrobiología) aterrizó en Marte el MY31 Ls150, es decir, el 6 de agosto de 2012. Y por su parte, InSight el MY35 Ls112.

Sea cual fuere el modo de medir el tiempo en Marte, dado que la idea de enviar seres humanos a explorar Marte es ya un proyecto consolidado, no estaría de más ir buscando un criterio unificado. No vaya a ser que el primer ser humano que ponga el pie en Marte no sepa cómo poner su reloj en hora.

 

* Juan Ángel Vaquerizo es el responsable de la Unidad de Cultura Científica del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) y autor del libro ‘Marte y el enigma de la vida’ (CSIC-Catarata) de la colección ¿Qué sabemos de?

Contaminación lumínica: ¿cómo nos afecta el exceso de luz?

Por Alicia Pelegrina (CSIC)*

Un tercio de la población mundial ya no puede ver la vía láctea y el 80% de la población mundial vive bajo cielos contaminados, como recoge el Nuevo Atlas de la Contaminación Lumínica publicado en 2016. La grandiosidad del cielo nocturno ha despertado la curiosidad y el interés de la humanidad desde tiempos inmemoriales. Su observación fue determinante para el desarrollo de la navegación por mar o para determinar el inicio de la época de siembra en las sociedades agrícolas. Nos ha permitido conocer la posición de nuestro planeta en la galaxia, descubrir que compartimos composición química con las estrellas o que estas se mueven en esa bóveda que cubre nuestras cabezas, al mismo tiempo que la Tierra gira sobre su eje polar, ofreciéndonos un majestuoso baile estelar. Este espectáculo por desgracia cada vez está al alcance de menos personas debido a la contaminación lumínica.

Contaminación lumínica vista desde el Observatorio de Sierra Nevada en Granada. / OSN

Pero, ¿qué es la contaminación lumínica? Ni más ni menos que la alteración de los niveles naturales de luz que tenemos en nuestro entorno durante la noche. Desde esa farola cuyo resplandor entra por nuestra ventana y no nos permite dormir, hasta carreteras desiertas en las que a las cinco de la madrugada parece ser de día, o los puntos de luz blanca que apuntan hacia el cielo.

La contaminación lumínica parece un fenómeno imparable: cada año crece en torno a un 2,2% tanto la superficie mundial iluminada como la intensidad de brillo del cielo nocturno. Y no nos engañemos, aunque no ocupe espacio, no huela o no haga ruido, se trata de contaminación en el sentido estricto de la palabra y supone una amenaza no solo para las observaciones astronómicas, sino para nuestros ecosistemas y nuestra salud.

Las tortugas al nacer confunden las luces de los paseos marítimos de las zonas costeras con la luz de la luna sobre el mar. Al eclosionar los huevos, ponen rumbo equivocado y terminan siendo víctimas de predadores o de la deshidratación. Las luciérnagas están desapareciendo porque la sobreiluminación imposibilita el encuentro de los amantes: los machos son incapaces de reconocer la luz que emite la hembra –llamada bioluminiscencia– y cada vez nacen menos crías de luciérnagas. Las aves migratorias ven alterada su hoja de ruta, desorientadas por las luces de las grandes ciudades… Y así un largo etcétera de consecuencias negativas para nuestro entorno.

Mapa mundial de contaminación lumínica. / Falchi et. Al.

Cronodisrupción: cuando nuestro reloj interno se estropea

Nuestro organismo tiene un reloj interno que regula una serie de parámetros biológicos que no son constantes, ya que varían en función de si es de día o de noche. Estas fluctuaciones que se repiten día tras día cada 24 horas se conocen como ciclos circadianos. Por ejemplo, la secreción de cortisol, esa hormona que nos hace estar estresados y enfadados con todo el mundo, está regulada por este reloj, y es mayor por la mañana que por la noche. La secreción de melatonina o la presión arterial también responden a estas fluctuaciones día-noche. Pero ¿cómo sabe este reloj si tiene que mandar la orden de producir más o menos cortisol? A través de las señales que recibe del medio a través de nuestros ojos. Por ejemplo, cuando es de noche y percibimos oscuridad, este reloj interno envía la orden de disminuir la secreción de cortisol.

Sin embargo, nuestra sociedad nunca duerme, es un sistema ‘24/7 non stop’ que implica una alteración del ciclo natural luz-oscuridad debido al abuso de luz artificial durante la noche. De esta forma, nuestro reloj se vuelve loco y comienza a enviar por la noche señales que debería enviar durante la mañana. Este caos es lo que se conoce como cronodisrupción. Muchos estudios asocian este fenómeno con la aparición de enfermedades cardiovasculares, insomnio, falta de concentración, problemas de fertilidad, alteraciones alimenticias e incluso algunos tipos de cáncer.

Contaminación lumínica en Europa. / Falchi et. Al.

La paradoja de las luces led

En los últimos años hemos podido observar el aumento generalizado del uso de luces led en nuestro alumbrado público. Se trata de una tecnología de iluminación que presenta ciertas ventajas con respecto a otro tipo de sistemas. Las luces led, por ejemplo, permiten regular su intensidad y escoger el color de la luz que emiten, además de que su uso supone un ahorro energético. Sin embargo, a pesar de la sustitución masiva de los tradicionales sistemas de alumbrado público por leds a los que hemos asistido en los últimos años, la contaminación lumínica no ha descendido. La razón: un efecto rebote.

El ahorro energético que supone el uso de led lleva a iluminar más superficie o a mantener las luminarias más tiempo encendidas con el mismo coste en la factura del ayuntamiento correspondiente. Y como aún no hemos interiorizado que la contaminación lumínica es un problema ambiental grave y que no somos una sociedad mejor y más moderna por tener más luces encendidas, nuestros políticos, que responden a la demanda de la ciudadanía, siguen iluminando e iluminando, porque así somos mejores que los demás (véase el ejemplo claro del municipio de Vigo).

Contaminación lumínica vista desde el espacio

Ante nuestros ojos se plantea un reto importante: aunar esfuerzos en pro de una iluminación responsable que garantice un cielo suficientemente oscuro. Lo necesitamos tanto para preservar nuestra salud y la de nuestros ecosistemas, como para garantizar el desarrollo científico y del conocimiento. Debemos cuidar especialmente los cielos de los observatorios astronómicos, nuestras ventanas al universo. Y tampoco podemos olvidar que el cielo es un recurso turístico que puede convertirse en motor de desarrollo sostenible en zonas rurales.

La declaración en 2010 del cielo oscuro como Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO pone de manifiesto la relevancia de este recurso, a menudo olvidado porque estamos acostumbrados a su silencioso acompañamiento en nuestro día a día. Así, el derecho a un cielo nocturno no contaminado debe convertirse en objetivo común, por nosotros y por quienes vendrán.

*Alicia Pelegrina es responsable de la Oficina Técnica Severo Ochoa del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) del CSIC, y coordina la Oficina de Calidad del Cielo del IAA. Este texto es parte del monólogo con el que la investigadora obtuvo el segundo premio en la edición 2020 de Famelab España.

 

 

Tres teorías para explicar el origen de la asimetría en los seres vivos

Por Luis Gómez- Hortigüela (CSIC) *

La quiralidad es la propiedad que tienen ciertos objetos de no ser superponibles con su imagen especular. Así, cada una de las imágenes especulares constituyen entidades diferentes. El mundo que nos rodea está lleno de objetos quirales, como el clásico ejemplo de nuestras manos (la izquierda se convertirá en la derecha si la ponemos frente a un espejo), u objetos que posean ejes helicoidales, como tornillos o escaleras de caracol.

La trascendencia más fundamental de la quiralidad tiene lugar en el nanomundo de las moléculas, en particular en las que conforman el funcionamiento de los seres vivos. Esto es así porque, ya desde su más remoto origen, la vida decidió funcionar de manera asimétrica, empleando compuestos quirales para construir las biomoléculas funcionales: aminoácidos para formar proteínas y azúcares para los ácidos nucleicos. En una entrada anterior, ya hablábamos de la asimetría como una propiedad esencial para la vida. Por alguna misteriosa razón, de las dos posibles formas especulares de estos compuestos quirales, la vida decidió comenzar su andadura empleando exclusivamente la forma zurda (L) de los aminoácidos y la forma diestra (D) de los azúcares, fenómeno que se conoce como homoquiralidad.

El pez platija con su extravagante asimetría en la posición de los ojos es un claro ejemplo de quiralidad.

A su vez, consciente de su eficiencia, la evolución trasmitió esta caprichosa selección quiral a todos los seres vivos, al menos en lo que concierne a nuestro planeta. Ahora bien, una vida imagen especular de la existente, con aminoácidos diestros y azúcares zurdos, en principio debería ser igualmente viable. ¿Por qué entonces la naturaleza se decantó por la vida basada en L-aminoácidos y D-azúcares? ¿Fue fruto de una mera casualidad o existe un imperativo cósmico detrás? ¿Podría existir vida imagen especular de la nuestra en otros planetas? Hasta el momento, hay tres posibles teorías que responden esta cuestión.

La homoquiralidad surgió por azar

Al ser las dos formas especulares (enantiómeros) de compuestos quirales igualmente estables, en principio existen en igual proporción (50% de cada uno). La senda hacia la homoquiralidad requiere el establecimiento de ciertos desequilibrios enantioméricos primigenios, una ruptura inicial de esa simetría del 50% que pueda derivar por diversos mecanismos de amplificación hacia la exclusividad quiral requerida para traspasar la barrera de la materia inerte a la viva. Un primer agente que podría haber generado esos desequilibrios es el propio azar.

Imaginemos que lanzamos una moneda al aire 100 veces; la estadística predice que lo más probable es que obtengamos 50 caras y 50 cruces. Sin embargo, si realizamos el experimento varias veces, es muy posible que en alguna ocasión obtengamos 49 caras y 51 cruces (o viceversa), lo que da lugar a una ruptura de la simetría. De manera similar, pequeños desequilibrios estocásticos en la proporción de uno y otro enantiómero de biomoléculas quirales en el caldo prebiótico habrían generado un germen de asimetría que habría derivado en la homoquiralidad. De ser este el mecanismo, la vida terrestre basada en L-aminoácidos y D-azúcares constituiría un mero accidente congelado fruto de un azaroso desequilibrio primigenio, condenado a la eternidad por la selección natural y las ventajas bioquímicas de la homoquiralidad. Esta selección quiral, por tanto, no sería imperativa en el universo, sino que podría encontrarse vida imagen especular en otros rincones del mismo.

El Hibiscus hawaiano, es quiral: los pétalos se montan unos sobre otros de manera helicoidal. / Wikipedia

Imperativo cósmico

No obstante, Einstein encontraba poco espacio en el universo para el azar: “Dios no juega a los dados con el universo” (o en este caso, la selección natural a través de la evolución química). Así, también se han propuesto mecanismos deterministas, donde ciertas influencias asimétricas debieron concurrir para generar esa ruptura inicial de simetría, lo que establecería una causa última para la selección quiral de la vida.

La primera de las teorías deterministas está relacionada con la naturaleza íntima de la materia. Uno de los más desconcertantes descubrimientos científicos del siglo XX fue la llamada caída de la paridad, que se deriva del hecho de que las partículas que conforman nuestro universo de materia son asimétricas. En palabras de Asimov, que el electrón es zurdo (su reverso de antimateria, el positrón, sería su análogo diestro).

Nuestro universo está constituido por partículas de materia, como el electrón, y por tanto es asimétrico. Esta asimetría es debida a un desequilibrio inicial, cuyas causas aún se desconocen, entre la cantidad de materia y antimateria tras el Big Bang, que hizo que la primera prevaleciera en su épica batalla ancestral contra la antimateria, conformando así nuestro universo.

Tal asimetría de la materia que configura las moléculas de nuestro universo implica que existe una ínfima diferencia de estabilidad entre los enantiómeros L y D de los aminoácidos construidos a base de materia, lo cual podría proporcionar la causa para un desequilibrio inicial. De hecho, estudios teóricos sugirieron una ligerísima mayor estabilidad para los L-aminoácidos y los D-azúcares, coincidente con la selección quiral de la vida. Sin embargo, las diferencias de energía calculadas eran extremadamente pequeñas y controvertidas. Así, por muy eficientes mecanismos de amplificación que existieran, resulta difícil predecir que tales mínimos desequilibrios condujeran a la homoquiralidad de la vida. En todo caso, si este fuera el origen, la quiralidad estaría impresa en los mismos entresijos de la materia, y por tanto cualquier vida en nuestro universo de materia debería reflejar la misma selección quiral que la terrestre.

La espiral de las conchas de caracol giran invariablemente hacia la derecha, una muestra de la quiralidad en esta especie.

Origen extraterrestre

En 1969, la llegada de un inesperado visitante en forma de meteorito a Murchison (Australia) proporcionó una nueva pista para otro posible mecanismo de ruptura de simetría quiral. El célebre meteorito contenía aminoácidos de origen extraterrestre. Sorprendentemente, se observaron ciertos desequilibrios enantioméricos en dichos aminoácidos, lo que sugería la provocativa idea de un germen de quiralidad exógeno, forjado en algún rincón del universo donde pudieran darse condiciones que no serían posibles en la Tierra. De esta manera, el desequilibrio quiral inicial habría alcanzado nuestro planeta a bordo de meteoritos.

Para estudiar esta sugerente posibilidad, la Agencia Espacial Europea envió en 2004 la sonda Rosetta al cometa 64P-Churiumov Guerasimenko para analizar in situ la existencia de desequilibrios enantiómericos en compuestos quirales de interés para el origen de la vida, si bien azares del destino impidieron llegar a conclusiones definitivas. En este caso, no existiría una quiralidad universal, sino que su origen sería local asociado a una región particular del universo, y podría por tanto existir vida imagen especular en otros planetas de otras regiones estelares.

Sea como fuere, resulta sobrecogedor pensar que el código quiral que describe la asimetría de la vida pudiera proceder en último término de algún lejano rincón del universo bañado por la luz asimétrica de una estrella de neutrones durante la llamada era química, o bien de lo más recóndito de la existencia, en el más insondable periodo posterior al Big-Bang, cuando la materia venció en su decisiva batalla contra la antimateria durante la era cósmica, salvándose de su desintegración absoluta y permitiendo la formación de las galaxias y el desarrollo de la era biológica que condujo, de la mano de la evolución, a nuestra propia existencia para admirar la asimétrica belleza del Universo… ¿O no fue más que una mera casualidad?

Luis Gómez-Hortigüela es investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y autor del libro ‘La quiralidad’ (CSIC-Catarata) de la colección ¿Qué sabemos de?

Una inmensidad fría y estéril: ¿Será así el final del universo?

Por Mar Gulis (CSIC)

A finales del siglo pasado, la mayor parte de la comunidad científica pensaba que el cosmos iría frenando poco a poco su expansión debido a la acción de la gravedad. Algunos incluso creían que, luego, el universo comenzaría a contraerse de forma progresiva hasta terminar concentrado en un punto, que señalaría el final del espacio-tiempo. En ese caso el final del cosmos sería una gran implosión o Big Crunch, algo semejante a una película al revés del Big Bang.

remanante supernova

Remanente de una explosión de supernova termonuclear. / NASA.

Con el objetivo de medir la desaceleración del universo, en los años 90 dos equipos científicos independientes (el High-z Supernova Search Team y el Supernova Cosmology Project) se propusieron determinar la velocidad de alejamiento de galaxias situadas a diferentes distancias. Lo hicieron observando supernovas termonucleares, también conocidas como supernovas de tipo Ia.

Estas estrellas en explosión se forman a partir de enanas blancas, objetos muy densos en los que acaban convertidas la mayoría de las estrellas tras perder su combustible nuclear. Cuando una enana blanca absorbe materia de una estrella cercana –o se funde con otra enana blanca– y su masa supera en 1,44 veces la masa del Sol, se alcanza el denominado límite de Chandrasekhar. En ese momento “la enana se contrae con rapidez y esto da lugar a la ignición termonuclear explosiva de la mezcla de carbono y oxígeno de la que está formada”, explica Pilar Ruiz Lapuente, investigadora del CSIC e integrante del Supernova Cosmology Project.

Las supernovas termonucleares constituyen un excelente patrón para medir distancias, ya que es posible calibrar su luminosidad con una gran precisión. Es como si observásemos a lo lejos una bombilla cuya potencia en vatios conocemos previamente: midiendo el brillo con el que su luz llega a nuestros ojos podemos saber a qué distancia se encuentra. Otra ventaja de estas supernovas es que son muy brillantes. “Mientras que con las cefeidas [estrellas cuya luminosidad también puede calibrarse] solo podemos ir a distancias de algunos millones de años-luz, con las supernovas podemos alcanzar miles de millones de años-luz: la supernova que más lejos se ha observado, por el momento, está a 12 mil millones de años-luz”, señala Ruiz Lapuente en su libro La aceleración del universo (CSIC-Catarata).

En 1998 los dos equipos presentaron sus impactantes conclusiones: las supernovas más lejanas observadas se encontraban entre un 10 y un 15% más distantes de lo esperado. Estos resultados, confirmados y reforzados después por otras investigaciones, acreditan que el universo, en lugar de desacelerar su expansión, está expandiéndose a un ritmo cada vez mayor.

El misterio de la energía oscura

Si tiramos una moneda al aire, esperamos que más tarde o más temprano comience a caer por efecto de la gravedad. Si en lugar de eso, empezase a alejarse de nosotros a mayor velocidad, pensaríamos que hay un componente que está contrarrestando la acción de la gravedad. La causa de que el universo siga el mismo patrón que la moneda del ejemplo y se expanda aceleradamente es lo que se conoce como energía oscura.

Todavía no se ha podido precisar la naturaleza física de la energía oscura, pero la mayoría de los datos actuales apuntan a que es una energía intrínseca al espacio-tiempo: una energía del vacío cuya presencia relativa aumenta a medida que el espacio-tiempo se expande. Así, aunque en los inicios del universo la energía oscura habría constituido una pequeña parte de toda la masa-energía del universo, en la actualidad constituye un 73% de la misma. El también investigador del CSIC Alberto Casas aclara que “la razón es que la densidad de materia va disminuyendo a medida que el universo se expande, ya que la misma cantidad de materia se va diluyendo en un espacio cada vez mayor. Pero la energía oscura está asociada al propio espacio, por lo que su densidad no disminuye.”

En concreto, las observaciones muestran que el universo no siempre se ha expandido de forma acelerada: hace más de 5.000 millones de años –la edad del cosmos se estima en unos 13.700 millones de años­– las galaxias estaban reduciendo el ritmo al que se alejaban unas de otras; pero, llegado ese momento, empezaron a distanciarse a un ritmo cada vez mayor. Todo indica que el espacio-tiempo había alcanzado una dimensión en la que la energía oscura se hizo dominante con respecto al resto de componentes del universo, y que fue entonces cuando sus efectos antigravitatorios comenzaron a notarse.

Gráfica energía oscura

En el centro, esquema de la historia del universo que refleja cómo la proporción de energía oscura ha ido aumentando con el tiempo. Arriba a la izquierda, visión de cómo se produce una supernova de tipo Ia en un sistema binario: la enana blanca absorbe materia de la estrella cercana hasta alcanzar el límite de Chandrasekhar (1,44 veces la masa del Sol) y muere en una explosión de supernova. / Nobel Prize Foundation

 

De ser así la energía oscura habría venido a resucitar la constante cosmológica de Albert Einstein. Cuando el físico alemán formuló su ecuación original del campo gravitatorio estaba convencido de que el universo ni se contraía ni se expandía, sino que era estático. Sin embargo, se percató de que “según su ecuación el cosmos perdería ese equilibrio y pasaría a contraerse bajo la acción de la gravitación”, señala Ruiz Lapuente. Por eso, introdujo la constante cosmológica en la ecuación, un término que actuaba como una ‘antigravitación’ que mantenía al universo en equilibrio.

En 1931 el ‘padre’ de la teoría de la relatividad tuvo que aceptar la evidencia de que el universo estaba en expansión. Eso hacía innecesaria la constante cosmológica, idea a la que renunció públicamente afirmando que había sido uno de los errores más importantes de su vida. Ahora vemos que quizás Einstein no estaba tan desencaminado: si la energía oscura es realmente una energía del vacío como la descrita –esta hipótesis todavía necesita confirmarse–, vuelve a ser necesario introducir la constante cosmológica en su ecuación. Esta vez no como factor de equilibrio del universo, sino como responsable de su expansión acelerada.

Malos tiempos para la cosmología

Todo ello tiene importantes implicaciones a la hora de predecir el destino del universo. Según Ruiz Lapuente, “si, en efecto, se confirma que la constante cosmológica es la causa de esta aceleración, esto significa que el universo seguirá expandiéndose de forma acelerada. Su materia será cada vez más dispersa e incapaz de formar galaxias y sistemas estelares. Además, lo que exista irá perdiendo conexión causal paulatinamente y no se podrían transferir señales de un punto del universo a otro. El panorama que surge es el de un universo que va apagando sus luces al acabarse la vida de las estrellas y va enfriándose hacia un final de una inmensidad fría y estéril”.

Casas, autor del libro El lado oscuro del universo, ahonda en esta idea: “Las pocas dece­nas de galaxias que forman el Grupo Local, pequeño cúmulo al que pertenece la Vía Láctea, continuarán ligadas por atrac­ción gravitatoria. Es decir, nuestro Grupo Local permanecerá unido, pero el resto de miles de millones de galaxias actual­mente visibles se alejarán de nosotros cada vez a mayor velo­cidad (de forma exponencial). Cuando el universo tenga 100.000 millones de años, la luz que nos llegará del resto de galaxias será tan débil y estará tan desplazada hacia el rojo, que se volverán invisibles a todos los efectos.”

“Sin embar­go, todavía habrá estrellas durante cientos de miles de millo­nes de años. Es decir, que podemos imaginar observadores inteligentes en esa época futura. A ellos les parecerá que el universo consiste en unas pocas galaxias que flotan en un océano de espacio totalmente vacío, exactamente como les parecía el universo a los astrónomos alrededor del año 1900. Además, no verán la expansión del universo (ya que no verán galaxias distantes alejándose) y no podrán detectar la propia energía oscura, principal responsable de la situación. En consecuencia, no podrán aprender del universo lo que hemos aprendido noso­tros (a menos que les dejemos algún tipo de testimonio que pudiera llegar hasta ese futuro extraordinariamente lejano, algo difícil de concebir). No será una época muy buena para hacer cosmología, esta es más divertida”, añade el investigador del CSIC.

“Los otros cúmulos de galaxias que vemos en el cielo actual formarán también sus propios universos-isla, totalmente desgajados unos de otros. Más allá de aquella época, las estrellas terminarán de consu­mir su combustible (hidrógeno y otros elementos ligeros) y se apagarán. Literalmente, la desolación final será absoluta. ¿Hubiera preferido usted el apoteósico final del Big Crunch?”, concluye Casas.

Para saber más:

Ciencia online: más de 100 conferencias de divulgación del CSIC para ver en casa

Por Mar Gulis (CSIC)

¿Por qué el cambio climático es un problema urgente? ¿De qué está hecho el universo? ¿Cómo se extinguieron los Neandertales? ¿Tiene la vida un origen extraterrestre? Estos días de confinamiento suponen una excelente oportunidad para saciar tu curiosidad científica. Las más de 100 charlas para todos los públicos que el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ofrece en sus canales online te ayudarán a buscar respuestas a estas y otras muchas preguntas. Además, te permitirán conocer los últimos avances de la ciencia por boca de investigadores e investigadoras que trabajan en una gran variedad de campos, como la demografía, la biología, la geología o la física teórica.

Fernando Valladares

Fernando Valladares, investigador del Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN-CSIC), en una de sus charlas sobre cambio climático.

Del universo a las partículas elementales

Si lo que te interesa son los meteoritos, las estrellas o la vida extraterrestre, puedes asomarte al impresionante catálogo de conferencias del Ciclo Lucas Lara, organizado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC). En ellas no solo oirás hablar de astronomía, sino también de asuntos como la inteligencia artificial, el dolor o los mosaicos de La Alhambra.

En caso de que te vaya más la física ‘pura y dura’, las conferencias del Instituto de Física Teórica (IFT-CSIC/UAM) no te defraudarán. El bosón de Higgs y el misterio de la masa, el fin del espacio-tiempo o las misteriosas propiedades de los neutrinos son solo algunas de las muchísimas cuestiones tratadas en ellas. De todas formas, la física del CSIC no se agota aquí. En esta misma área del conocimiento, tampoco puedes perderte las charlas del Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC), que se ocupan de temas como la antimateria, los mitos de la física cuántica o la computación cuántica.

La investigadora Laura López-Mascaraque, del Instituto Cajal (IC-CSIC), habla de la ruta de los aromas de la nariz al cerebro en el ciclo ‘¿Qué sabemos de?’.

Para saber de todo

Para quienes no tengan tan definida una temática de interés, el ciclo Jam Science ofrece la oportunidad de ver a investigadores e investigadores de perfil muy diverso hablando de su trabajo en un ambiente muy distendido: nada más y nada menos que un bar. Organizada por la científica del CSIC Carmen Fernández, esta iniciativa ha abordado cuestiones como el enigma de los Neandertales, el posible origen extraterrestre de la vida en nuestro planeta, la exploración antártica o la importancia de las vacunas. Los vídeos de estas charlas están disponibles en los canales de Youtube DC SciCommAgora Mundi Ciencia.

Otro ciclo de contenido científico amplio que te permitirá aumentar tus conocimientos son las Friday Talks. ‘Música y neurociencia’, ‘Un nuevo océano en la era del plástico’ o ‘Gatos y tigres… ¿bajo el mar?’ son títulos de algunas de las intervenciones recogidas por esta propuesta del Instituto de Ciencias del Mar (ICM-CSIC).

Y aún hay más. ¿Qué somos capaces de hacer editando genes? ¿Cómo sabe el cerebro lo que la nariz huele? ¿Se va a convertir la Comunidad Valenciana en un desierto? Estos interrogantes sirven de partida a tres de las conferencias del ciclo ‘¿Qué sabemos de?’ con el que la Delegación del CSIC en Valencia te propone indagar en las claves científicas del bienestar.

Los Neandertales son el eje de esta charla de Antonio Rosas, del MNCN-CSIC, en el ciclo Jam Science.

Cambio climático y geología

Volviendo a temáticas más específicas, el investigador del Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN-CSIC) Fernando Valladares te invita a reflexionar sobre el cambio climático y los desafíos que plantea en su serie de vídeos La salud de la humanidad, en la que intercala conferencias con varias piezas informativas de elaboración propia. Y en una línea similar, Daniel García-Castellanos, del Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera (ICTJA-CSIC), comparte su pasión por la geología en sus charlas sobre megainundaciones, tectónica de placas y erosión del suelo.

Y para terminar, puedes darte una vuelta por los ciclos Demografía hoy y ¿Qué sabemos del arte rupestre?, así como los seminarios de la Estación Biológica de Doñana. Estos vídeos, de contenido algo más especializado que los anteriores, te permitirán profundizar en las cuestiones que tratan.

Como ves, tienes muchas conferencias para elegir. ¿Por cuál quieres empezar?

Si quieres conocer más recursos del CSIC para aprender ciencia desde casa, pincha aquí.

¿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.

De Granada a la Luna: cuatro décadas de astrofísica en Andalucía

Por Manuel González (CSIC)*

El 20 de julio de 1969 una persona pisó por primera vez la superficie de nuestro satélite. “Un pequeño salto para el hombre, un gran paso para la humanidad”, como afirmó Neil Armstrong, el artífice de una hazaña -o por lo menos su cara más visible-, de la que ahora se cumplen 50 años. Tras años de estudios, pruebas, misiones de exploración y algún que otro fracaso, por fin se conseguía hacer llegar la nave Apolo XI a la Luna. Aunque aquella vez no fue la única (entre 1969 y 1972 otras cinco misiones cumplieron el objetivo de transportar astronautas a nuestro satélite) sí fue la más icónica. Habíamos logrado abandonar nuestro planeta, posarnos en el cuerpo más cercano del Sistema Solar y volver. Algo impensable a principios del siglo XX.

El astronauta Buzz Aldrin durante el primer aterrizaje lunar, el 20 de julio de 1969./ NASA/ Neil A. Armstrong

Quizás una de las consecuencias que tuvo esa misión, y en particular la foto de la bandera americana ondeando sobre nuestro satélite, es que cada vez que se habla de la exploración espacial se tiende a pensar únicamente en Estados Unidos. Algunas personas también pensarán en la antigua Unión Soviética y China. Sin embargo, son varios los países que han participado desde hace años en misiones espaciales cuyo objetivo es desentrañar los misterios de los cuerpos del sistema solar. Sí, España también forma parte de la carrera espacial.

De cohetes estratosféricos a la superficie de Venus

En esta carrera, el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) del CSIC ha jugado un importante papel desde su fundación en 1975. El 20 de julio de 1969 el IAA todavía no existía. Seis años después, en julio de 1975, este centro se inauguró en el palacio de la Madraza, un edificio histórico junto a la catedral de Granada, con un puñado de científicos y científicas dispuestos a hacer ciencia de la mejor calidad. En poco más de 40 años, el Instituto de Astrofísica de Andalucía ha participado activamente en la exploración de los cuerpos más importantes del Sistema Solar: la atmósfera de nuestra Tierra, el Sol, la mayoría de los planetas, algunas lunas, e incluso en un cometa. También fuera de nuestro Sistema Solar, ya que ha conseguido detectar planetas que orbitan alrededor de otras estrellas.

Uno de los primeros proyectos consistió en estudiar la luminiscencia nocturna en 1976. Se trataba de efectuar una exploración de la alta atmósfera terrestre con cohetes de sondeo. Se lanzaron varios desde el Arenosillo, Huelva, que ascendían unos kilómetros y que medían y caracterizaban la atmósfera terrestre según caían al mar. Este proyecto pionero daba el pistoletazo de salida al IAA en su aventura espacial.

Años después, tras estudiar la atmósfera de nuestro planeta, se saltó a la de Marte. La sonda Mars 96, lanzada en 1996, tenía como uno de sus objetivos el estudio de ciertas moléculas en la atmósfera marciana. Esta misión nunca llegó a Marte porque no consiguió abandonar la órbita terrestre, pero sentó las bases para construir un satélite que sí lograría su objetivo, Mars Express. Esta segunda misión, que comenzó en 2003 fue todo un éxito. Lanzó un orbitador que ha estado realizando investigaciones científicas desde entonces. La mayor parte de la instrumentación de este satélite es europea, con importante participación del IAA.

Entre Mars 96 y Mars Express el instituto participó en Cassini-Huygens, un proyecto para estudiar el planeta Saturno y sus lunas que data de 1997. La nave contaba con una sonda denominada Cassini que orbitaba alrededor del planeta, y de un módulo de descenso, Huygens, para estudiar la atmósfera de Titán. Huygens fue el primer objeto que aterrizó en una luna que no fuera la terrestre, y cumplió con éxito la mayoría de sus objetivos científicos.

Tras este hito, la misión Rosetta, lanzada en 2004 hacia el cometa 67P/Churiumov-Gerasimenko, fue el siguiente proyecto en el que se embarcó el instituto granadino. El desafío era mayúsculo. Por primera vez en la historia, la humanidad colocó un artefacto en un cometa: el módulo de aterrizaje Philae se posó sobre 67P en 2014. Pese a que el aterrizaje de Philae fue accidentado, porque rebotó y terminó posándose en una zona más escarpada de lo previsto, consiguió obtener muchas imágenes durante el aterrizaje y tomar datos sobre la superficie del cometa.

La misión Venus Express, lanzada en 2005, permitió estudiar la atmósfera y la superficie de Venus. Por su parte, CoRoT iniciada en 2006, estaba dedicada a la búsqueda de planetas extrasolares. Ambas también contaron con la participación tecnológica y científica del IAA.

 

La sonda Venus Express, sobre una imagen real de las ondas atmosféricas de Venus. / IAA

 Júpiter y exoplanetas: los retos del futuro

La Unidad de Desarrollo Instrumental y Tecnológico (UDIT) del IAA, un equipo dedicado especialmente al desarrollo de instrumentación, ha crecido considerablemente a lo largo de las últimas décadas. En su agenda se suman proyectos como Exomars o BepiColombo, lanzadas en 2016. La primera es una misión espacial a Marte que intentará averiguar si hubo vida en el planeta rojo en un pasado (o si la hay ahora). La segunda tiene como objetivo el estudio de Mercurio, uno de los planetas menos explorados hasta el momento.

¿Qué nos deparará el futuro? El año que bien comenzará el vuelo de Solar Orbiter, el primer satélite que observará los polos del Sol. Parte de su instrumentación ya fue probada con éxito en otro proyecto del centro, Sunrise, un globo que estudió en dos ocasiones (en 2009 y 2013) nuestra estrella desde la Tierra. Además, el IAA está fuertemente implicado científica y tecnológicamente en JUICE, prevista para 2022, que explorará tanto Júpiter como sus satélites Ganímedes, Europa y Calisto. Y en PLATO, que comenzará en 2026 y buscará y caracterizará planetas extrasolares rocosos alrededor de estrellas similares al Sol.

Esta exitosa actividad espacial ha contribuido a que el IAA sea reconocido como centro de excelencia Severo Ochoa, el único de Andalucía con esta distinción a día de hoy. Todo esto no habría sido posible sin el empeño y esfuerzo de unos científicos y científicas que, desde su despacho de la Madraza, quizás inspirados por los pasos de Neil Armstrong sobre la Luna, soñaron un día con conquistar el cielo.

* Manuel González trabaja en la Unidad de Cultura Científica del Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC y es responsable, entre otros proyectos de divulgación, del videoblog El astrónomo indignado.

Ni estrellas ni planetas, ¿qué son las enanas marrones?

Por Mar Gulis (CSIC)

En los sesenta, nadie las había observado, pero Shiv S. Kumar predijo su existencia y las llamó enanas negras. En 1975, la astrofísica Jill Tarter las denominó enanas marrones, su nombre definitivo, dado que el término de Kumar también podía referirse a otros objetos estelares. Tarter no iba desencaminada al intuirlas marrones, sin embargo, estos cuerpos celestes suelen tener en realidad un color parecido al magenta o morado. Pero, más allá de su color, ¿sabes qué es una enana marrón?

Las enanas marrones son objetos subestelares que se encuentran a caballo entre las estrellas y los planetas. Un cuerpo celeste con composición similar a la solar y con masa mayor que 75 veces la masa de Júpiter sería una estrella, mientras que uno por debajo de esta masa (entre 65-75 masas) sería una enana marrón. No obstante, hay que tener en cuenta otros factores para determinar ante qué objeto nos encontramos. Una de las principales peculiaridades de la enana marrón es que en su núcleo no se llega a alcanzar, de manera estable, la temperatura de fusión necesaria para la quema de hidrógeno, como ocurre en una estrella, y en su lugar se quema deuterio.

Ilustración de una enana marrón. / NASA/JPL-Caltech

Ilustración de una enana marrón. / NASA/JPL-Caltech

Las características espectrales de las enanas marrones, como el pico de emisión centrado en longitudes de onda larga, la luminosidad o las temperaturas superficiales más bajas que las de una estrella, les otorgan precisamente ese color magenta o morado. En la clasificación espectral, las estrellas más calientes y luminosas tienen un color azul y a medida que se van enfriando, pasan al amarillo, al anaranjado y, por último, al rojizo. Después encontramos a las enanas marrones, que van del color rojizo al morado.

Primera enana marrón, primer exoplaneta

Teide 1 fue la primera enana marrón confirmada, gracias a un equipo español del Instituto de Astrofísica de Canarias, en 1995, el mismo año del descubrimiento del primer exoplaneta: 51 Pegasi b. ¿Coincidencia? La autora del libro Enanas marrones (Editorial CSIC – Los Libros de la Catarata), María Cruz Gálvez Ortiz, antes investigadora del Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), explica las evidencias sobre las conexiones que existen entre ellas y los exoplanetas (planetas que se encuentran fuera del sistema solar), más allá de que coincidan en el momento del hallazgo.

Las enanas marrones también limitan en el rango de masa y temperatura con los planetas, e incluso presentan atmósferas similares. De hecho, algunos de los métodos empleados para descubrir enanas marrones han permitido dar con planetas extrasolares. En ambos casos, a pesar de la mejora y afinamiento de los instrumentos y técnicas de investigación en astrofísica, las teorías sobre su formación, el cálculo de sus edades y la naturaleza de sus atmósferas se encuentran todavía en desarrollo.

En cuanto a las enanas marrones, a pesar de que se conoce relativamente poco sobre ellas, en las últimas dos décadas se han identificado cerca de 2.000 (cifra que va en aumento). Respecto a los exoplanetas, son ya más de 3.000 confirmados (otra cifra que sigue creciendo), de los cuales alrededor de 20 son de tipo terrestre y se encuentran en una zona de habitabilidad. Como señala Gálvez Ortiz, desde que comenzó la búsqueda de planetas extrasolares, “uno de los objetivos principales ha sido encontrar un planeta similar a la Tierra en tamaño y composición y en condiciones similares, de tal manera que pudiera albergar vida”.

Los estudios están profundizando también en el hallazgo de planetas alrededor de enanas marrones y, por el momento, se han detectado casi una decena de objetos de masa planetaria orbitando estos cuerpos subestelares. La búsqueda sigue…

 

* Puedes leer más en el libro Enanas marrones (Editorial CSIC – Los Libros de la Catarata), de la colección ¿Qué sabemos de?