sábado, 22 de julio de 2017

Pronóstico nublado

La semana pasada el robot Juno, en órbita de Júpiter, en su séptima aproximación al planeta gigante sobrevoló la famosa Gran Mancha Roja. Las imágenes de JunoCam son difíciles de procesar, pero por suerte en Unmannedspaceflight hay gente que hace maravillas. He recortado y retocado algunas para mostrar aquí; como ésta, basada en una de Gerald Eichstädt:


Vista de cerca, la Gran Mancha Roja se manifiesta como algo nunca visto en la Tierra, un maelstrom de tormentas adentro de tormentas. Es tan grande que podría tragarse a la Tierra entera, como en este montaje hecho por Seán Doran, también basado en una imagen de Gerald (uno de los magos que descubrió cómo procesar las imágenes raw de JunoCam). Júpiter es realmente inmenso. Mil Tierras cabrían dentro. Todos los planetas del sistema solar, incluso los otros gigantes, cabrían dentro a la vez. Es una joya única de nuestro sistema solar, y bien vale la pena entender cómo funciona.

En el punto más bajo de cada órbita, Juno sobrevuela Júpiter a pocos miles de kilómetros de altura. Está pasando mucho más cerca que los exploradores anteriores, New Horizons, Cassini, Galileo, las Voyager y las Pioneer. Tan cerca que estamos viendo el relieve de los topes de las nubes. En la imagen de arriba, la de la Mancha Roja, se ve un grupo apretado de granitos, justo fuera de la región central oscura que parece más profunda (entre "las 4" y "las 6"). Deben ser fenómenos de convección vertical, como los cumulonimbus terrestres (cada uno del tamaño de una provincia, eso sí). En algunas regiones de nubes blancas (amoníaco suele ser) se han ganado el sobrenombre de "pochoclo":


Aquí las vemos formando parte de algo que se parece a las squall lines (no tengo idea de si hay una palabra en castellano), esas líneas de tormentas características de los frentes fríos:


En las regiones polares, que nunca habíamos visto de frente (ya no de cerca), Juno está revelando océanos de ciclones de una preciosidad difícil de expresar:


Los contrastes entre las zonas y los cinturones, lo frío y lo menos frío, lo que sube y lo que baja, los amoníacos y los sulfuros, los ciclones y los anticiclones, los vientos de cizalla, las inestabilidades y la turbulencia, dan una variedad de nubes que parece no tener fin. Esta imagen muestra una de las llamadas barcazas, del color de la Gran Mancha Roja, navegando entre dos óvalos blancos mientras cae la noche...


JunoCam toma unas imágenes de ángulo muy grande, que producen una perspectiva inusual. La siguiente es un ejemplo de esto, imaginen que están volando en un avión a gran altura y toman una foto panorámica muy ancha hacia abajo, de horizonte a horizonte. Creo que aquí vemos la Mancha Roja Jr. La región hacia la derecha es el comienzo del casquete polar, con sus vórtices azules. Y hacia la izquierda quedan las regiones templadas, con la Gran Mancha Roja ya tras el horizonte. (La imagen es también de Doran, basada en una de Eichstädt.)


Los instrumentos de Juno están diseñados para observar el interior de Júpiter, no su superficie. Pero era una picardía mandar a Júpiter un robot sin ojos, y por suerte a último momento le enchufaron JunoCam, un dispositivo más de public outreach que de observación científica. No sabemos cuánto durará, ya que el ambiente que atraviesa Juno es muy radiactivo y no se espera que la cámara aguante todas las órbitas de la misión.

No puedo cerrar sin mostrar el cambio sufrido por la Gran Mancha Roja desde la visita de Voyager 1 en 1979. Era casi tres veces más ancha que ahora, que es casi circular. Existe desde hace un par de siglos por lo menos, cuando era todavía más grande. ¿Qué pasará en el próximo siglo? ¿Desaparecerá, tal vez siendo reemplazada por otra tormenta gigante y estable? Ésta es una imagen procesada por otro de los genios aficionados, Björn Jónsson:



Las imágenes son de NASA/JPL, procesadas por Björn Jónsson, Gerald Eichstädt, Seán Doran, Damia Bouic y yo mismo. Bájenlas para verlas a pantalla completa. Las reduje bastante, a 1200 píxels de ancho, para meterlas en esta nota, pero las de resolución completa son más impresionantes. Al que le gusten, le recomiendo visitar regularmente unmannedspaceflight.com

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sábado, 15 de julio de 2017

El bastión florido

En Gorizia, ciudad pequeña cerca de Trieste, hay un castillo precioso. La fortificación data del siglo XI, y fue ampliada, mejorada y modificada a lo largo de los siglos. A principios del siglo XX ya casi no tenía aspecto de castillo medieval. Pero en la Primera Guerra Mundial, cuando Gorizia se encontró en medio de las tremendas doce batallas del río Isonzo, el castillo resultó severamente dañado. Fue restaurado (andá a saber con cuánta fidelidad) y hoy en día tiene de nuevo un impresionante aspecto medieval, en el punto más alto de la ciudad:


Al entrar al castillo me encontré con la bienvenida de un personaje inesperado en el Friuli: Edmond Halley, empelucado y de tamaño natural. El cartel dice:

In molti conoscono la cometa che porta il mio nome: Edmond Halley —scienziato e ingeniere inglese ma pochi sanno che le mura e i bastioni del Castello di Gorizia sono, in parte, opera mia.*

*¿Necesito traducir del italiano? Bueno: Muchos conocen el cometa que lleva mi nombre: Edmond Halley científico e ingeniero inglés pero pocos saben que los muros y baluartes del Castillo de Gorizia son, en parte, obra mía.

¿Ingeniero? Para mí Halley había sido un destacado astrónomo, amigo de Newton y fundamental en la publicación de los Principia Mathematica. No lo tenía como ingeniero. Militar. En el Adriático.

Les pregunté a las chicas de la boletería de qué se trataba, qué había hecho Halley en el castillo. No tenían idea. Ésto es lo que pude averiguar.

En 1700 se desató una tremenda "guerra mundial", la Guerra de Sucesión Española, al morir Carlos II, el último monarca Habsburgo de España. Los borbones de Francia aspiraban a asegurarse la sucesión del vasto imperio español. Para contrarrestar la hegemonía de Francia, Inglaterra se alió al imperio austríaco en una guerra de 15 años que terminó repartiendo el imperio entre austrias y borbones. El resultado fue sangriento (¡más de medio millón de muertos!), pero aseguró un razonable balance de poder en Europa que acabó durando casi todo el siglo.

En pleno conflicto, en 1702, la Reina Ana Estuardo (primera monarca de la Gran Bretaña) le encargó a Halley una misión importante y secreta: revisar y mapear los puertos adriáticos del imperio austríaco, principalmente Trieste y Bakar. ¿Por qué Halley, un astrónomo? El Almirantazgo lo recomendó. Halley había ya hecho varias expediciones marinas largas y exitosas. Todo había empezado en 1676 cuando se pasó varios años en la isla de Santa Helena catalogando las estrellas del cielo austral. Luego había hecho viajes científico/diplomáticos a cargo de la Royal Society, y finalmente varias exploraciones oficiales para relevar el campo magnético terrestre, vientos y meteorología en todo el Atlántico. Halley había resultado ser un buen capitán, fijate un poco.

En Trieste, en compañía del jefe de ingenieros del Emperador Leopoldo, "repararon y agregaron fortificaciones". En Bakar encontraron todo en orden y "seguro para todo tipo de embarcación". Las biografías de Halley no mencionan otros trabajos aparte de estos en la costa. Pero en una nota del diario triestino Il Piccolo se asegura que, en su libro sobre los orígenes de Gorizia, Giovanni Maria Marussig (contemporáneo de Halley) dice que "los trabajos de fortificación del castillo fueron dirigidos por el célebre ingeniero, astrónomo y matemático Edmondo Halley". Se trataría del Bastión Florido, que no es ninguno de los tres baluartes que se ven en mi foto de arriba sino éste, que queda para el otro lado y se ve así cuando uno va subiendo por el burgo. En años recientes el Bastión Florido albergó un boliche bailable extremadamente popular.

Al pie del burgo del castillo hay un hotel muy lindo, antiguo, en cuya entrada me encontré con otra sorpresa: aquí vivió, en el exilio, Agustín Cauchy, en calidad de profesor del joven Enrique de Chambord, que durante 7 días fue Enrique V de Francia. Uno de los reinados más breves de la historia, pero larguísimo en comparación con el de su tío Luis Antonio, que abdicó en su favor apenas 20 minutos después de recibir el trono de su padre, Carlos X, que abdicó en 1830. El reinado del joven Henri fue revocado por la Asamblea Nacional y todos marcharon al exilio a tierras austríacas. Cauchy no es un personaje muy conocido por el gran público, pero fue uno de los grandes matemáticos del siglo XIX, constructor casi solitario (bueno, está Bolzano) del Análisis Matemático moderno. Montones de teoremas que hemos estudiado en nuestra juventud, algunos sorprendentes, llevan el nombre de Cauchy (incluso el Teorema de Taylor fue demostrado por Cauchy, no por Taylor).

En estos pueblos no podés darte vuelta sin toparte con un pedazo de Historia de la Ciencia.


Correspondence and papers of Edmond Halley, E Fairfield MacPike (Oxford University Press, 1932).

Edmond Halley: Charting the Heavens and the Seas, AH Cook (Oxford University Press, 1988).

L'astronomo Halley dalla cometa al Bastione fiorito del castello, S Bizzi (Il Piccolo, 2015). (No pude conseguir el libro de Massurig para constatarlo.)

La pintura del puerto de Trieste es de Louis Francois Cassas (The town and harbour of Trieste seen from the New Mole, 1802).

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sábado, 8 de julio de 2017

SN2017cbv, sin un níquel a su nombre

Cuando explotó la supernova SN 2017cbv subí mi medición inicial del brillo a la American Asociation for Variable Star Observers. Un puñado de otros observadores se me unieron. El mal tiempo otoñal y el posterior viaje al hemisferio norte me impidieron hacer más de tres observaciones. Pero con los datos de los otros observadores podemos ver la evolución del brillo de la supernova, desde su temprana detección un par de semanas antes de alcanzar el máximo, hasta las que veo al momento de escribir esto, a fines de junio.

Cada estrella de esta figura es una observación. Las mías son las tres azules un poco más grandes. Los colores corresponden a cada observador. Son todos datos de la AAVSO, excepto las más tempranas, que son telegramas astronómicos (sí, se llaman así aunque por supuesto no son telegramas, es un sistema en la Web).


Vemos que la supernova aumentó rapidísimo de brillo desde su descubrimiento a magnitud 16 hasta que yo la observé a magnitud 11.5, diez días después. Esas 4.5 magnitudes corresponden a un factor 63 de brillo, que siguió creciendo hasta rozar la undécima magnitud unos 20 días después de la explosión.

La secuencia de eventos es bastante complicada. Primero hay un pulso (invisible) de rayos X debido a la explosión termonuclear que consume en segundos todo el carbono y oxígeno de la enana blanca. Esto produce una bola ardiente en expansión de cenizas termonucleares, en gran parte níquel-56 y cobalto-56, ambos radiactivos. La bola de fuego se expande y amaga con enfriarse en un par de días, pero la radiactividad la recalienta desde adentro y el brillo sube y sube hasta alcanzar un máximo.

El decaimiento radiactivo del níquel-56 es muy rápido: en apenas 6 días la mitad de todos sus átomos (¡inicialmente casi una masa solar!) se han convertido en cobalto-56. Que también es radiactivo, pero con una vida media 10 veces más larga. Así que lo que se ve es un fenómeno típico de la física nuclear: un decaimiento exponencial de la radiactividad. Como la escala de magnitudes es logarítimica, el logaritmo de la exponencial resulta en un decaimiento lineal de la magnitud, exactamente como señalé en el gráfico.

Primero hay un decaimiento rápido (dominado por el del níquel), pero un par de meses después de la explosión ya la cantidad de níquel radiactivo es menos del 1% de la original. Queda todavía un montón de cobalto, que decae más lentamente, así que la pendiente cambia haciéndose 10 veces más lenta, como se ve.

Esta curva de luz de las supernovas de tipo Ia es sorprendentemente robusta. Más aún, cuando uno convierte la magnitud aparente (la que vemos) en magnitud absoluta (verdadero brillo, independiente de la distancia), son todas increíblemente parecidas. No iguales: las que son un poco más brillantes decaen un poco más lento (ver la figura de aquí al lado, cuadro superior). La verdad que no se conocen exactamente los procesos que son responsables de esto. Pero los astrónomos aprendieron a manipularlas matemáticamente de manera que todas las curvas coincidan, como se ve en el cuadro inferior. Así pueden usarlas como "candelas estándar" (estandarizables, estrictamente). Calibrando las distancias de las más cercanas con algún método independiente, les permite calcular la distancia a las más lejanas, aunque ocurran del otro lado del universo. A Saul Perlmutter (el que aparece citado en la figura) le valió el Premio Nobel en Física en 2011 al descubrir de esta manera que la expansión del universo se está acelerando.

Es maravilloso que esta secuencia de eventos se imaginó en la década de 1960, con lápiz y papel y computadoras que hoy darían risa. Y que no fue verificado por observaciones hasta décadas después (los rayos gamma del decaimiento del cobalto-56 se observaron recién en 2014), y que recién en los 90s se empezó a entender en detalle la explosión de las supernovas de los distintos tipos, aunque queda mucho por saber y por observar.


El título de la nota se refiere a la expresión en inglés acerca de no tener "a nickel to my name," que significa no tener un mango (un "duro" en España, etc.). Un nickel es una moneda de 5 centavos. También se escucha "a penny to my name" o "two pennies to rub together". Ésta última se entiende fácilmente, pero lo de "to my name" nunca lo entendí ("a mi nombre", ¿como si fuera una casa?). Está en un relato de Jack London sobre su vida como hobo (croto, en lunfardo).

El gráfico de la estandarización de la curva de luz lo tomé de unas clases de Astronomy 301 de James Lattimer.

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sábado, 1 de julio de 2017

El desayuno cuántico

La física cuántica (o, como la llamamos los físicos, la mecánica cuántica) tiene un halo de misterio y paradoja, una reputación intimidante. Esto hace que se preste a la chantada pseudocientífica, como el caso recientemente denunciado por la Asociación Física Argentina.

Hace poco, en una entrevista radial, un reconocido periodista charlaba con un destacado físico argentino y era palpable el interés de los participantes de la mesa en quedarse con una versión supercondensada de la física cuántica, algo para compartir en el café: "¿La física cuántica? Ya lo sé, estudia las cosas más chiquitas que existen". Todo bien, es cierto. Pero dicho así pareciera que la mecánica cuántica sólo se ocupa de cosas alejadísimas de la vida cotidiana: aceleradores de partículas, la radiación de los agujeros negros, el Big Bang, gatos vivos y muertos a la vez y el misterioso entrelazamiento, que parece magia. Digámoslo de una vez: nada más alejado de la realidad.

Todas las mañanas, cuando preparamos el desayuno, en casa usamos este dispositivo cuántico:


¿Cómo? ¡Eso es un tostador! ¡Maqué cuántico! ¡Es un TOS-TA-DOR!

Sí: es un tostador. Cuántico.

¿Ven cómo brillan los alambres del tostador? ¿Por qué brillan? Porque están calientes. Es algo de lo más familar: un cuerpo caliente brilla. En el siglo XIX los físicos estudiaron este fenómeno conocido desde que los hombres de las cavernas inventaron el asado, y descubrieron cuánto brilla en cada color. Es decir, el espectro de un objeto caliente. Y encontraron algo sorprendente: el espectro es el mismo, ya sea que el cuerpo sea un carbón del asado, un pedazo de vidrio, de hierro, o una estrella. El espectro tiene un "pico" en un cierto color (un máximo donde está el máximo brillo) y brilla menos (de una manera matemática precisa) en los colores de longitud de onda mayor o menor que la del pico. Este tipo de fenómeno universal es irresistible para un físico: tiene que entender de dónde sale. Debe haber algún mecanismo único que lo explique.

El fenómeno es extremadamente sencillo: una cosa (cualquier cosa) caliente. Y de hecho su descripción en el contexto de la física de fines del siglo XIX (la mecánica hoy llamada clásica más el electromagnetismo) es un modelo también muy sencillo. Que fracasa estrepitosamente. Muchas de las mejores mentes científicas atacaron el problema: Stefan, Boltzmann, Wien... Lord Rayleigh (el del color del cielo) y James Jeans descubrieron que la energía radiada por un cuerpo caliente dependía de la temperatura T (fenómeno) y de la longitud de onda λ (la letra griega lambda, o sea el color) así:

E = c × T / λ4

donde c es una constante que no viene al caso. No se asusten, miren la fórmula de nuevo que cualquiera la entiende. El fracaso de este resultado radica en que la longitud de onda aparece dividiendo (y encima elevada a la cuarta potencia). ¿Qué pasa cuando la longitud de onda es más chica? La energía es más grande. ¿Y si es más chica todavía? La energía es todavía más grande. Acá no hay un pico: el brillo sube y sube sin parar para longitudes de onda menores y menores: ultravioleta, rayos X, rayos gamma... Si fuera así, cuando prendemos el fuego para el asado, ¡los carbones nos fulminarían con rayos gamma! No way. El fracaso recibió un nombre digno de una banda de rock: catástrofe ultravioleta.

Max Planck, en 1900, encontró la solución: la cosa caliente emite su energía en "paquetes" (los cuantos que le dan nombre a la teoría), cada uno con una energía que sólo puede ser un múltiplo entero de una energía fundamental (que es además proporcional a la frecuencia, o sea la inversa de la longitud de onda). Le dio esto:


Ahí está el pico. Ésta es la ley de radiación de Planck, que explica el espectro de los cuerpos negros que ya han aparecido por aquí. Hay que decir que la ley de Planck fue una cabeza de playa, y que se necesitarían 30 años para tener una teoría razonable de los fenómenos cuánticos. Y es un edificio que no hemos terminado de construir.

Ahí tenés: la mecánica cuántica no es apenas una rareza de fenómenos microscópicos y exóticos. Necesitamos la física cuántica para entender incluso fenómenos cotidianos. Y no sólo esto. La física cuántica está detrás de TODA la civilización tecnológica en la que vivimos hoy en día. ¿La computadora en la que escribo esto? Un dispositivo cuántico. ¿El teléfono donde lo leés? Dispositivo cuántico. ¿Vas a buscar el resultado de la resonancia magnética de la rodilla? No me hagas empezar. ¿Pagás con tarjeta la compra en el supermercado? Una compra cuántica. ¿La cadena de producción y distribución de lo que compraste? Cuántica aunque nadie lo note. ¿Llegás a casa y prendés la luz? ¿Cómo te creés que la generaron, la manipularon, la distribuyeron? Te cambiás la ropa: a menos que críes tus propias ovejas, hiles la lana y la tejas... cuántica. ¿Ponés un CD? Ni hablar. La física cuántica está tan inextricablemente ligada a nuestra vida que decir que "es lo que gobierna las cosas muy chiquititas" es una exageración innecesaria. Las explicaciones tienen que ser lo más sencillas posibles, pero no más sencillas.


Sé que hay gente interesada en entender la física cuántica a un nivel más profundo que el de la divulgación. Es posible hacerlo sin anotarse en Exactas, o masoquearse con libros de texto. Hay un libro notable de Susskind, Quantum Mechanics: The theoretical minimum. Sólo requiere saber (o haber sabido) un poco de álgebra y de análisis matemático. Hay obras de divulgación muy buenas (como el reciente La física cuántica, de Juan Pablo Paz, en Ciencia que Ladra), pero es realmente el formalismo matemático el que pondrá en foco los conceptos "charlados". Tal vez algún día haga el esfuerzo de dar una explicación matemática pero sencilla del problema de la radiación del cuerpo negro y la solución de Planck. Háganme acordar.

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