sábado, 16 de diciembre de 2017

Grandes bolas de fuego

Vamos a aprovechar que esta semana es el solsticio de verano en el hemisferio austral, que el Sol se ve tan alto y se siente tan calentito, para desmitificar una creencia sumamente extendida. Digámoslo de una vez:

El Sol no es de fuego.

Es cierto que es brillante y caliente, y que en fotos como ésta (del observatorio solar espacial SOHO), la superficie de nuestra estrella parece ardiente. También se habla de llamaradas solares, y parecen incendios infernales. Vistas en movimiento, sabiendo que son muchas veces mayores que la Tierra, son impresionantes.


Si uno no sabe nada sobre las estrellas parece bastante natural imaginarse que el Sol se mantiene ardiendo quemando algún combustible. Los primeros intentos científicos de explicar el mecanismo, sin embargo, se encontraron con una dificultad: quemando un combustible ordinario el Sol podría arder unos 3 mil años. Para una Historia de escala bíblica, como las precientíficas, tal vez alcanzaba. Los geólogos del siglo XIX, sin embargo, empezaron a decir que la Tierra tenía probablemente muchos cientos de millones de años de edad.


Así que explicar el calor del Sol se convirtió en un problema científico interesante y muchos físicos famosos formularon posibles modelos. Helmholtz, por ejemplo, sugirió que la esfera solar se contraía permanentemente por su propio peso, convirtiendo energía gravitatoria en calor. Calculaba que achicándose 35 metros por año alcanzaba. Lord Kelvin agregaba que la caída de muchos meteoros podía colaborar, alargando la vida del "fuego" solar hasta 20 millones de años. A principios del siglo XX Rutherford, pionero de la física nuclear, aventuró que un decaimiento radiactivo podía ser un mejor mecanismo. Poco después Einstein demostró la equivalencia entre la masa y la energía, E = mc2, y se empezó a sospechar de algún mecanismo que convirtiera materia directamente en energía. Eddington, por ejemplo, sugirió que la aniquilación del protón contra el electrón en los abundantes átomos de hidrógeno del Sol podía ser responsable de la inmensa energía solar. Recién en 1928 George Gamow demostró que el "efecto túnel", un comportamiento fantasmagórico de la materia cuántica, podía hacer que entraran en contacto dos núcleos de hidrógeno (que tienden a repelerse eléctricamente) dando lugar a reacciones nucleares de fusión exotérmicas. Por abuso de lenguaje seguimos diciendo que el hidrógeno es el "combustible", y que el Sol "quema" 700 millones de toneladas de hidrógeno cada segundo, convirtiéndolas en 696 millones de toneladas de helio. Pero no hay combustión. Nada se quema. La diferencia: 4 millones de toneladas de materia, son convertidas directamente en energía electromagnética cada segundo.


En definitiva: el Sol no es de fuego. ¿Y entonces, por qué arde y brilla? Porque está caliente, nada más que porque está caliente. Como cuando calentamos un clavo en la hornalla de la cocina y al retirarlo brilla hasta que se enfría, como el hierro que un herrero calienta para forjarlo, cualquier cuerpo caliente brilla. En el centro del Sol las reacciones nucleares liberan mucha energía electromagnética (principalmente rayos gamma), que en su camino hasta la superfice calienta la esfera del Sol. La superficie se mantiene a 5700 grados. A esa temperatura, cualquier cuerpo brilla igual que el Sol. Sin fuego.


La imagen de llamaradas solares durante un eclipse es de Luc Viatour (CC BY-SA). Las de llamaradas en alta resolución son de Moshen Chan (Flickr, CC BY-NC).

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sábado, 9 de diciembre de 2017

El punto de Arago

¿Dónde está la parte más oscura de una sombra? Cualquiera diría que en el medio, lo más lejos posible de los bordes, que todos sabemos son difusos y penumbrosos. El punto más oscuro de la sombra de un objeto circular, por ejemplo, debería estar en el centro del círculo, ¿no? Bueno, no.

La idea es tan rara que llevó a un famoso científico a cometer un papelón hace 200 años. La Academia Francesa de Ciencias organizó un concurso para explicar la naturaleza de la luz. Agustín Fresnel (inventor de esas lupas que pueden llevarse en un tarjetero) presentó su teoría ondulatoria. En el Jurado estaba el influyente matemático Simeón Poisson, partidario de la teoría corpuscular de Newton (¿a quién se le ocurrió poner en el jurado a alguien con una posición tomada?). Ni lerdo ni perezoso, Poisson buscó desacreditar la teoría de Fresnel mostrando que hacía predicciones absurdas. Calculó matemáticamente que, al difractarse alrededor de un obstáculo circular, las ondas de luz de Fresnel interferían constructivamente en el centro exacto de la sombra, produciendo un punto luminoso. Que el punto central de una sombra fuera el más luminoso le parecía, a Poisson, tan repugnante que le bastaba para descartar la teoría ondulatoria. Buah.

El presidente del Jurado era Francisco Arago, físico, astrónomo, divulgador científico y político (llegaría a ser Primer Ministro de Francia). Genial experimentador, intrigado por el resultado obtenido por Poisson decidió hacer la prueba en lugar de descartar de llano la teoría de Fresnel. Hizo un disquito metálico de 2 mm, lo iluminó y en el centro de su sombra, con dificultad pero sin lugar a dudas, vio el punto luminoso. El punto de Arago. O punto de Fresnel. O punto de Poisson. Y Fresnel ganó el premio.

Hoy en día es relativamente fácil verlo usando un láser. Lo hice de dos maneras para esta nota. Primero usé mi telescopio Schmidt-Cassegrain. Este diseño tiene una ventana frontal con un espejo secundario incrustado: ideal para usarlo como obstáculo circular. Apunté el láser verde a través del ocular, y en una pared a oscuras a unos 5 m de distancia pude ver la sombra del espejo secundario. Anillos de difracción bastante desprolijos se veían todo alrededor, y en el centro, perfectamente discernible, el punto de Arago.

Después intenté hacerlo iluminando con el láser directamente un objeto circular, sin el telescopio. Probé con un grano de mijo pero no me convencía, y quise usar algo más grande, una canica. Para ensanchar un poco el haz y que cubriera la canica usé una lente divergente (una lente de Barlow, de la valija astronómica, pero tal vez se podría usar un anteojo de miopía). Apoyé la bolita sobre el tornillo de un trípode y la sombra se vio así:


El patrón de difracción del tornillo está buenísimo, pero me parecía distractivo. Clavé tres alfileres y apoyé la bolita sobre ellos. Me quedó así, con una pinta de La Guerra de los Mundos:


Estuve pensando en estas cosas mientras preparaba el Coloquio del Balseiro sobre exoplanetas (especial para chicos de 7o grado). Resulta que si uno quiere fotografiar directamente un planeta alrededor de otra estrella, como la estrella brilla millones de veces más que el planeta, tiene que taparla con una máscara. Puede hacerse, pero es muy difícil y no da buen resultado. Pero se puede diseñar la máscara de manera ingeniosa para evitar el punto de Arago, logrando que el centro de la sombra sea extremadamente oscuro. Poniendo un telescopio en este punto se podría fotografiar y analizar la luz de un exoplaneta de manera directa. Estas máscaras tienen un diseño precioso, como pétalos de una flor. Tendrían que ir dobladas como un origami dentro de un cohete para ser puestas en el espacio. No hay duda de que las veremos en pocos años.


Tal vez Poisson se dejó llevar por la práctica matemática de las demostraciones por reducción al absurdo. Pero la física es una ciencia natural: a diferencia de la matemática, la verdad hay que encontrarla en el mundo real, no en la lógica del razonamiento.


La imagen de la Starshade es de la NASA/JPL. La foto de la sombra de la mano no es de un alienígenea: se ve así rara porque fue tomada durante el eclipse solar del 26 de febrero de 2017.

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sábado, 2 de diciembre de 2017

Citrus Australis

Hay más sobre las bebidas celestes... Hace un par de semanas conocimos el asterismo de la Cafetera: donde otros ven un gigante cazador, algunos hemos aprendido a reconocer una cafetera tipo moka. En estos días de primavera austral sale por el Este cerca de la medianoche. Y poco antes, por supuesto, se oculta tras el horizonte del Oeste la más conocida Tetera, formada por un grupo de estrellas de Sagitario justo en la parte más gruesa de la Vía Láctea.


Junto a la base de la Tetera encontramos otra constelación vinculada con el té. Esta foto del mismo día está intencionalmente desenfocada para destacar mejor las estrellas. Díganme si en este arquito semicircular no podemos imaginar una rodaja de limón. ¡Hemos inventado la constelación del Limón Austral!

Se lo mostré a los chicos del 8o Encuentro de Jóvenes Astrónomos, donde tuvimos dos noches preciosas del mejor cielo mendocino. Curiosamente, cuando les pregunté una y otra vez qué le ponemos al té, si bien me decían azúcar y leche cada vez, nadie mencionó el limón. ¿Será una cosa de millennials, no ponerle limón al té?

Hay que decir que el Limón Austral (por otros conocido como Corona Austral) es una constelación de cuarta. De cuarta magnitud, quiero decir. Pero su forma característica hace que sea muy fácil de identificar incluso desde cielos urbanos.

En una posición tan cercana a lo mejor de la Vía Láctea no es raro que la Corona, quiero decir el Limón Austral, luzca hermosas nebulosidades. En mi foto desenfocada apenas salieron: el cúmulo globular NGC 6723 y la magnífica nebulosa de reflexión NGC 6726. Ahora ya es tarde, pero el año próximo intentaré fotografiarlos a través del telescopio. Mientras tanto, he aquí una foto que salió en la APOD hace poco.



La foto de NGC 6726 y otras nebulosidades es de Eric Coles & Martin Pugh, publicada en la APOD hace poco. Las otras son mías.

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sábado, 25 de noviembre de 2017

Cita con 'Oumuamua

No se desplazaba con una trayectoria asteroidal normal, a lo largo de una elipse por la que volvería con precisión de relojería cada pocos años. Era un vagabundo solitario entre las estrellas, que hacía su primera y última visita al sistema solar, porque se movía con tanta rapidez que el campo gravitatorio del Sol jamás podría capturarlo. Fugazmente pasaría las órbitas de Júpiter, Marte, Tierra, Venus y Mercurio, acelerando hasta rodear el Sol y dirigirse una vez más a lo desconocido. 
A. C. Clarke, Cita con Rama
En octubre pasado ocurrió de verdad: ¡por primera vez detectamos en el sistema solar la presencia de un objeto proveniente de otra estrella! Chan.

Fue descubierto por uno de los robots que monitorean incesantemente el cielo buscando asteroides potencialmente peligrosos. El 19 de octubre Pan-STARRS detectó un objeto moviéndose extremadamente rápido. Nada raro: Pan-STARRS descubre estas cosas todos los días. Una semanita más de observaciones permitieron calcular su órbita, y aquí sí hubo una sorpresa. Era algo jamás visto: una hipérbola, una trayectoria abierta viniendo del espacio profundo más allá de los confines del sistema solar, curvándose fuertemente por acción de la gravedad del Sol, y alejándose nuevamente hacia el infinito.


Nunca, nunca se había visto algo parecido. La trayectoria de un cuerpo por acción de la gravedad es algo que se conoce desde hace siglos. Newton calculó a fines del siglo XVII que puede ser circular, elíptica, parabólica o hiperbólica. Las de los planetas son elipses bien redonditas, casi circulares. Las de los cometas periódicos son elipses bien estiradas, como la del cometa Halley que va desde la órbita de Mercurio hasta la de Neptuno. Las de los cometas no periódicos, como el McNaught del 2007, son parábolas.* Conocemos órbitas hiperbólicas alrededor de los planetas, porque las naves interplanetarias las usan para viajar de un planeta a otro. Una trayectoria hiperbólica alrededor del Sol, justamente, permite viajar entre las estrellas. Y eso nunca se había visto.

El objeto fue clasificado inicialmente C/2017 U1, como si fuera un cometa. Al no observarse la formación de una cola se lo reclasificó como A/2017 U1, un asteroide. Pero al confirmarse su origen extrasolar, la Unión Astronómica Internacional creó una nueva categoría, de la cual éste es el primer miembro: 1I/2017 U1, con la "I" de interestelar. Además le pusieron un nombre propio: 'Oumuamua, que en lengua hawaiana significa algo así como "el primero que llega de lejos" (aquí puede escucharse cómo pronunciarlo, que no es muy difícil para un hispanoparlante: o múa múa).

Ni lerdos ni perezosos, los astrónomos se lanzaron sobre el mensajero interestelar. Hay que tener en cuenta que, cuando se lo descubrió, ya estaba alejándose del Sol. Y se mueve tan rápido que antes de fin del 2018 ya será invisible. Esta semana se publicaron dos trabajos con los primeros resultados, que agregan un par de sorpresas. Para empezar, es rojo. Esto no es tan raro: es del color típico de algunos asteroides troyanos de Júpiter, pero no súper-rojo como los cuerpos del Cinturón de Kuiper (o Fernández), como Plutón. Millones de años expuesto a la radiación cósmica pueden haberle dado este color. Gira sobre sí mismo cada 7 horas. Esto tampoco es tan raro, muchos asteroides pequeños rotan así de rápido. Pero nos da una pista sobre su composición: debe ser rocoso o metálico, ya que una rotación tan rápida lo despedazaría si fuera una "pila de escombros", como muchos asteroides que conocemos de nuestro sistema solar. Junto con el hecho de que no presentó actividad cometaria parecen descartar que sea de hielo. Aunque podría ser de hielo cubierto de una corteza dura por acción de la radiación. El cometa Churymov-Gerasymenko resultó tener una costra tan dura que los arpones de Philae no lograron penetrarla para anclarse, después de todo.

La característica física más notable es su forma. La variación de su brillo al rotar parece indicar que es extremadamente elongado, de un par de cientos de metros de largo y sólo unas decenas de ancho. Gira alrededor de un eje perpendicular a la dirección larga.


¿Se podría ir a visitarlo? Es tentador: nunca antes tuvimos oportunidad de analizar material de otro sistema estelar. Es difícil, de todos modos. Habría que armar una misión automática de la nada, lanzarla a gran velocidad lo antes posible, y esperar un par de décadas para alcanzarlo mientras se aleja. Se hicieron planes, pero sospecho que ninguno se va a concretar. Habrá que esperar que vuelva a ocurrir. ¿Y cuánto habrá que esperar? Aquí hay otra sorpresa: uno de los trabajos tiene una estimación matemática, y resulta que siempre debería haber un objeto interestelar del tamaño de 'Oumuamua en una esfera del tamaño de la órbita de la Tierra. Se va uno y llega otro. Si es así, no hay duda de que Pan-STARRS o algún sistema similar van a descubrir más en el futuro cercano.

Es casi inevitable, si uno es aficionado a la ciencia ficción, pensar en Cita con Rama, de Arthur C. Clarke, en relación a 'Oumuamua. En el comienzo de la novela la caída de un asteroide arrasa parte de Europa, lo cual lleva a la creación de un sistema automático de detección de asteroides peligrosos. Exactamente como Pan-STARRS y similares. Años después detectan el primer objeto interestelar, inicialmente catalogado como un asteroide muy elongado... y que resulta ser una nave extraterrestre.


La imagen de 'Oumuamua es una reconstrucción basada en fotos tomadas a través de varios filtros, de luz visible e infrarroja, hecha por el Telescopio Gemini South. La imagen artística del posible aspecto del raro asteroide es del Observatorio Europeo Austral, ESO/M. Kornmesser. La imagen de la órbita de 'Oumuamua la hice yo con Celestia, usando datos orbitales del sistema JPL Horizons. Si usan Celestia y quieren los archivos, pídanmelos y os serán dados.

Los dos trabajos de esta semana son:

Meech, KJ et al. A brief visit from a red and extremely elongated interstellar asteroid. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature25020 (2017).

Jewitt, D et al. Interstellar Interloper 1I/2017 U1: Observations from the NOT and WIYN Telescopes. En prensa en Astrophysical Journal (2017).

* Para detallistas: algunos cometas tienen órbitas apenas hiperbólicas, casi indistinguibles de una parábola. Se debe a perturbaciones producidas por Júpiter. 'Oumuamua, en cambio, tiene una trayectoria muy hiperbólica, inconfundiblemente interestelar.

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