sábado, 21 de abril de 2018

Gaia ve la Nube Mayor de Magallanes

Gaia es un telescopio espacial de diseño inusual (parece un sombrero, ¡y los espejos son rectangulares!), ya que está dedicado a un propósito muy específico: medir con precisión sin precedentes la posición y el movimiento de más de ¡mil quinientos millones de estrellas! Será una revolución en nuestro conocimiento de la estructura y la dinámica de la Vía Láctea. Y mucho más.


Gaia está observando sus millones y millones de estrellas desde hace ya cuatro años. En 2015, en base al primer año de observaciones, se publicó el primer catálogo de resultados. La imagen de aquí arriba no es una foto del cielo, sino una representación gráfica de aquel catálogo (notar las bandas que muestran cómo se iba cubriendo todo el cielo).

Sabiendo que faltaba poco para la publicación del segundo catálogo revisé el sitio de Gaia: será esta semana, el 25 de abril. Más de 1300 millones de estrellas entre las magnitudes 3 y 21 tendrán su posición determinada en 3D con precisión asombrosa, de algunos microarcosegundos. Un microarcosegundo es la millonésima parte de un segundo de arco. La Luna mide en el cielo 1600 segundos. Reguau. 10 microarcosegundos es como ver un pelo a 2000 kilómetros. Es como ver una estampilla en la Luna.

Millones de estas estrellas tendrán además determinada su velocidad en el espacio, con precisión de un par de cientos de metros por segundo. Más de mil millones de estrellas tendrán, además, su brillo y su color determinado con precisión de milésimos de magnitud, al estilo del telescopio Kepler. Nunca la Humanidad tuvo semejante cantidad de datos astronómicos de tanta precisión. Será una mina de oro.

Aparte de estrellas, por supuesto, habrá decenas de miles de asteroides, estrellas variables, supernovas y la mar en coche. Cualquier cosa que brille en el cielo habrá sido observada por Gaia en estos años. Habrá un tercero y un cuarto catálogos rellenando los huecos que queden y mejorando las mediciones, en 2020 y 2022.

No todas las estrellas de Gaia son de la Vía Láctea: en la imagen se distinguen perfectamente las Nubes de Magallanes. Husmeando en la web de la European Space Agency encontré esta extraordinaria imagen de la Nube Mayor, tal vez mi galaxia favorita. No es una foto: es el catálogo de Gaia, versión 1. Nunca había visto la estructura de la barra y la espiral de la Nube de Magallanes con tanta claridad. En la página de Gaia hay una versión mucho más grande que ésta.


Esperamos ansiosos el Gaia Data Release 2 dentro de pocos días.


Las imágenes son de ESA/GAIA. Bueno, la de la Luna es mía, Gaia no observa la Luna.

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sábado, 14 de abril de 2018

El mundo al revés

En noviembre estuve en el Planetario de Buenos Aires, visitando a mi amigo Diego Hernández. Aprovechando que no había funciones por ser lunes, me llevó a la sala de proyección para mostrarme el nuevo sistema de control y operación del modernísimo proyector que ha reemplazado al viejo Zeiss de nuestra infancia.

En un momento me acerqué al instrumento, que es como una cruza entre R2-D2 y BB-8, un cilindro redondeado recubierto de lentes por todos lados. Cuando uno se acerca a una de ellas se ve así:


A la pucha, qué brillante. Parece que uno se estuviera acercando al ojo de buey de una nave espacial cerca de una estrella. "Asomate", me dice Diego, "es una experiencia única". Así que me asomé. Lástima que no hay efectos de sonido para acompañar la imagen:

¡Oooooohhhhh! ¡Aaaaaahhhhhh! La foto no alcanza a transmitir la experiencia. ¿Qué estoy viendo? Son las estrellas, pero es tan distinto del cielo estrellado... Cuando uno se mueve un poco a los lados ve como una esfera plagada de estrellas, pero vista desde afuera. Un cielo estrellado visto desde afuera. Como si uno estuviera fuera del universo, y mirando hacia adentro. Como una versión astronómica del Aleph borgiano. Esa parte más densa debe ser la Vía Láctea. Y esa estrella brillante ¿podría ser Sirio? Andá a saber. ¿Se podrían reconocer las constelaciones, al revés?

Me pareció reconocer la Cruz del Sur en esta lente, pero no a los Punteros. Es confuso, y sobrecogedor. Miré hacia la cúpula buscando algo identificable, y encontré la Nube Mayor de Magallanes. Miré de nuevo el R2-D2 tratando de identificar la lente correspondiente, y me asomé, como se asomaría Dios a ver qué onda el universo...


My God, it's full of stars, diría Dave Bowman hace 50 años. No recuerdo más. Me fui, muy impresionado. Diego me debe haber dado un montón de Si Muoves para repartir en Bariloche, porque me encontré la mochila llena de revistas.



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sábado, 7 de abril de 2018

La cosa más grande

La Tierra es tan grande que hasta el día de hoy hay gente que cree que es plana. El Sol es mucho más grande: en él cabrían un millón de Tierras. Aun así, una estrella es una mota de polvo en la galaxia. Y si bien la Vía Láctea es una galaxia grande, las hay mayores. Los cúmulos de galaxias, naturalmente, son todavía más grandes que las galaxias mismas. ¿Cuál será la cosa más grande? ¿La más grande de todas? ¡Sin decir "el universo", eh!

Bueno, depende un poco de qué se entienda por "cosa", por supuesto. En la reciente conferencia Distant Galaxies from the Far South, George Becker, de la Universidad de California, nos mostró su observación de lo que podría ser la cosa más grande:


Este gráfico muestra un espectro, obtenido con el telescopio VLT, del lejano quasar (se pronuncia cuéisar, otro día cuento lo que son) con el raro nombre ULAS J0148+0600. Está tan lejos (z = 5.98, dice ahí) que su luz fue emitida hace 12800 millones de años, en un universo "infantil" muy distinto del actual. Estos quasars lejanísimos resultan ser una herramienta ideal para los astrónomos que investigan el espacio entre las galaxias, ya que su radiación tuvo que atravesar tooooooodo ese espacio intermedio hasta llegar hasta nosotros. Y, en el camino, esa luz sufre transformaciones según lo que va encontrando. Esta ilustración permite entenderlo mejor:


La idea es que, a medida que viaja por el espacio, la luz emitida por el quasar va encontrando hidrógeno a distintas distancias. El hidrógeno es un buen emisor y absorbedor de una radiación ultravioleta bien conocida: la línea alpha de Lyman, correspondiente a la transición entre el nivel más bajo de energía de su electrón y el inmediato superior. Es un color ultravioleta de 121 nm (nanómetros, la luz visible está entre 400 y 700 nm).

Pero claro: esos 121 nm son medidos en el laboratorio. Las galaxias y los quasars muy lejanos, debido a la expansión del universo, tienen su radiación muy corrida hacia el rojo, hacia las longitudes de onda larga. Es un efecto similar a cuando escuchamos un auto que se aleja, que se escucha más grave: iiiiiiiiiiuuuuuúmmm... Grave, en luz, es rojo. Por eso en la ilustración vemos la línea de emisión Ly-α del quasar a casi 500 nm (5000 Angtroms, en el verde). A propósito: esas líneas fueron un misterio cuando se descubrieron los quasars, hasta que los astrónomos se convencieron de que eran líneas ultravioletas extremadamente corridas hacia el rojo, lo cual indicaba enormes distancias.

Si llegaron hasta acá, no aflojen. ¿Qué es esa parte toda peluda a la izquierda del pico de emisión del quasar? Son líneas de absorción también de Ly-α ¡Pero están a longitudes de onda diferentes! Claro, porque el gas que las produce (absorbiendo otra radiación del quasar, esa línea quebrada roja), ya sea en forma de galaxias o gas intergaláctico, está más cerca nuestro, y por lo tanto su corrimiento al rojo no es tan extremo. Esa luz viaja y viaja y viaja, y en cada parte de su viaje pierde un cachito de intensidad a longitudes de onda que se van acercando al ultravioleta. El resultado es ese bosque de rayas verticales que, apropiadamente, se llama la Lyman forest. En la ilustración se muestra cómo una galaxia, que es un objeto grande, produce un "claro" en esta selva, correspondiente a su tamaño. En este sitio hay una versión animada de esta figura, que lo explica todavía mejor.

Pongo de nuevo la figura de Becker, esta vez donde muestra una selva de Lyman típica (negra, otro quasar a la misma distancia, pero cuya luz evidentemente corre otra suerte) además de la que atraviesa la cosa más grande (roja):


El claro en el bosque se produce entre redshift (z) casi 5.9 hasta 5.5. Esto permite calcular el tamaño del objeto responsable de la absorción de la luz quasárica: 160 megaparsecs. ¡La luz ultravioleta del quasar tardó 500 millones de años en atravesarla! La Vía Láctea mide 0.03 megaparsecs. Un cúmulo de galaxias mide entre 2 y 10 megaparsecs. 160 megaparsecs es, probablemente, la cosa más grande. De todas.

¿Y qué es? No lo sabemos. De hecho, la charla de Becker fue precisamente acerca de sus esfuerzos para entender este objeto, no simplemente para mostrarnos su existencia. Ojo: "No lo sabemos", para un científico, no quiere decir que no tiene una explicación sino todo lo contrario: tiene muchas. Y no sabe cuál, o cuáles, son correctas. Becker ha descartado algunas, y tiene su candidata prometedora: que se trata de una enorme fluctuación de densidad de hidrógeno intergaláctico, que en esa edad del universo está siendo ionizado por las primeras galaxias de manera muy heterogénea. Y ha mostrado sus observaciones de la distribución de galaxias a su alrededor, que supone sirve para trazar la densidad del gas. Es una explicación posible, pero no definitiva. Lo que sí es cierto es que ese objeto inmenso, impensable, escalofriante, existe.


Las tres figuras de Becker están tomadas de su charla en Distant Galaxies from the Far South (disponibles en la web de la conferencia). La ilustración de la selva de Lyman es de Barnes et al. Ly-a and Mg II as probes of galaxies and their environment, Pub. Astr. Soc. Pacific, 126:969-1009 (2014).

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sábado, 31 de marzo de 2018

Sobre Stephen Hawking

Mañana 1 de abril se cumplen 30 años de la primera edición de A brief history of time, de Stephen Hawking, el libro de divulgación científica más vendido de la Historia. Debo confesar que cuando lo leí (hace 30 años), no me gustó. Cuando supe de la muerte de Hawking decidí releerlo. El libro es el mismo pero yo no: tal vez me guste más, tal vez menos; ya se verá. Pero quiero aprovechar la ocasión para decir algo sobre Stephen Hawking.

Hawking era una celebridad mundial. Apareció en Los Simpson, en The Big Bang Theory, en Star Trek y quién sabe en cuántos programas de televisión y medios populares. Sus conferencias arrastraban multitudes de curiosos, no siempre interesados en la física de los agujeros negros. A brief history of time vendió tantos millones de ejemplares que es difícil de creer que toda esa gente lo haya leído. No sólo el título es buenísimo, sino que el autor era simpático, tenía muy buen humor, se interesaba por todo y no rehuía de la fama. El tipo era tan famoso que, naturalmente, le preguntaban sobre cualquier cosa: sobre los extraterrestres, sobre Dios, sobre la inteligencia artificial, sobre el cambio climático...

¿Por qué era tan famoso? Hay dos vertientes en la respuesta a esta pregunta. Por un lado, su trabajo científico fue realmente importante, y voy a contar un poco sobre él, ya que me parece que no mucha gente lo tiene claro, y que no ha sido bien explicado. Por ejemplo, en la existosa película sobre su vida, The theory of everything, no queda del todo claro qué había hecho Hawking y por qué era importante. Lo que sí queda claro es lo que a nadie se le escapa: vivir 50 años con esa terrible enfermedad, y hacer simultáneamente una contribución positiva a la sociedad, sólo es posible con una extraordinaria fuerza de voluntad. Y, en el fondo, ése es su principal legado, la admiración que despierta su vida desde un punto de vista humano. El extraordinario poder de la mente sobre la materia.

En cuanto a su trabajo científico, sus principales contribuciones fueron en el campo de los agujeros negros, de los que ya hemos hablado en el blog. También nos hemos ocupado de la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que nos brinda una explicación de la fuerza gravitatoria muy distinta de la familiar "acción a distancia" entre masas. Las ecuaciones de la relatividad general no involucran velocidades y aceleraciones, como en la mecánica newtoniana que aprendemos en la escuela, sino la geometría misma del espacio-tiempo, un ente geométrico de 4 dimensiones que combina el espacio y el tiempo. Por consiguiente sus soluciones son geometrías, no trayectorias, espacios curvados caprichosamente según la distribución de energía en donde hagamos el cálculo.


Estas ecuaciones son extremadamente difíciles de resolver. Hoy en día podemos usar computadoras, pero hace 100 años encontrar una solución de las ecuaciones de Einstein era algo notable. El propio Einstein sólo encontró dos al principio, bastante triviales. La primera solución interesante la encontró Karl Schwarzschild, pocos meses después de la presentación en sociedad de la teoría. La solución de Schwarzschild (la métrica de Schwarzschild) describe la geometría alrededor de una masa puntual. Es, sabemos hoy, la geometría de un agujero negro.

Se trataba de objetos extremadamente sencillos: en el caso de Schwarzschild, tenían apenas masa. Luego se supo que podían tener carga eléctrica o rotar, pero nada más. Parecían no estar sujetos a otras leyes de la física: no tenían ni temperatura, ni entropía. Esto era un desastre: uno podría tirar dentro de un agujero negro el Quijote, o una  nube informe de hidrógeno, y daba igual: desaparecían y pelito pa' la vieja. Parecía violar la Segunda Ley de la Termodinámica, ofreciendo una manera de reducir la entropía del universo.

La solución la propuso Jacob Bekenstein (estadounidense pero nacido en México), quien conjeturó que los agujeros negros debían tener una entropía relacionada con la superficie de su horizonte, esa región inmaterial de donde ni siquiera la luz puede salir. Hawking logró demostrarlo con rigor, pero fue más allá: si el agujero negro tenía una entropía, entonces debía tener también una temperatura, porque ése es el negocio de la termodinámica, el juego entre temperatura y entropía. Y si tenía una temperatura, entonces no podía ser tan "negro", tenía que emitir alguna radiación electromagnética, como cualquier cuerpo caliente. ¿Cómo calcularla?

Entonces Hawking, treintañero y ya cargando con 10 años de ELA, hizo un cálculo extraordinario, algo que nadie había podido hacer antes que él: pudo combinar la relatividad general con la electrodinámica cuántica, que es la teoría cuántica del campo electromagnético. Desde hacía décadas ambas teorías parecían irreconciliables, lo cual era un rompedero de cabeza para lograr una teoría cuántica de la gravedad. Hawking no formuló una teoría cuántica de la gravedad, pero sí logró hacer un cálculo de electrodinámica cuántica en un espacio-tiempo fuertemente curvado. Y encontró que el propio espacio vacío se comporta de manera muy diferente que cuando es plano. Resultó que, visto de lejos, el agujero negro se veía como un cuerpo normal a cierta temperatura. Esa temperatura dependía de la masa del agujero negro: cuanto más liviano, más caliente. Al emitir radiación se emite energía, naturalmente, y de acuerdo a E = mc2, el agujero negro va perdiendo masa. Al perder masa aumenta su temperatura, con lo cual se incrementa la radiación, se pierde más masa, y el agujero negro entra en una espiral indetenible: termina evaporándose, desapareciendo en un ¡pop! de radiación electromagnética. Lo publicó en 1974 con el sugestivo título Black holes explosions?

El trabajo de Hawking abrió una puerta que estaba cerrada, y permitió vislumbrar por dónde podría venir la reconciliación entre la gravedad y la mecánica cuántica. La clave bien podía estar en los agujeros negros. Tal vez no se trata sólo de curiosidades astrofísicas: su naturaleza puede ser crucial para entender la unificación total de las leyes de la física. El trabajo de Hawking, tras medio siglo de incertidumbre, había reunido las tres grandes ramas de la física del siglo XX: la relatividad general, la mecánica cuántica y la termodinámica. La fórmula de la entropía, hoy llamada de Bekenstein-Hawking, es particularmente fascinante porque reúne precisamente las constantes universales de las ciencias involucradas: la k de Boltzmann, la G de Newton, la h de Planck y c, la velocidad de la luz:
\[S_{BH} = \frac{\pi kc^3 A}{2Gh}\](A es el área del horizonte de eventos del agujero negro: cuatro pi por el radio de Schwarzschild al cuadrado). A Hawking le encantaba esta fórmula y la quería para su epitafio. Imagino que se la grabarán en la lápida.

Otro día contaré más sobre Schwarzschild y su solución de las ecuaciones de Einstein. Y también sobre las explosiones de los agujeros negros.


La ilustración de la curvatura del espacio es de Mysid (CC BY-SA, Wikipedia). La ilustración del agujero negro es de Alain r (CC BY-SA, Wikipedia).

El 1 de abril es, en los países anglosajones, April Fools' Day, el día de las bromas que nosotros asociamos con el 28 de diciembre. La publicación de su libro en April Fools' Day le hacía mucha gracia a Hawking, por supuesto.

El paper Hawking es Black holes explosions?, Nature, 248:30 (1974), y puede descargarse libremente del sitio de la revista.

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