viernes, 26 de abril de 2013

#35 Isaac Asimov: Ciencia y Belleza

Los que me conocen bien saben que soy un gran fanático de Isaac Asimov, así que simplemente no he logrado resistirme a colgar este video. Espero les agrade.. con el debido respeto del dueño del canal..


miércoles, 24 de abril de 2013

#34 Exoplanetas Terrestres descubiertos por Kepler

Ya ha pasado mucho tiempo desde que el Observatorio espacial Kepler vio luz por primera vez, y casi no pasa una semana sin que se sepa alguna noticia de este telescopio. Siempre noticias gratificantes. Hace un par de semanas se dio a conocer la noticia de que fueron encontrados dos sistemas, el sistema Kepler-62, que alberga por lo menos 5 planetas, dos de ellos del tamaño conocido como "supertierra", los planetas Kepler-62e y Kepler-62f; y el sistema Kepler-69 con al menos dos planetas, siendo Kepler-69c considerado como supertierra.

¿Qué es una supertierra? Básicamente cualquier planeta con un tamaño que se encuentra en el rango entre 1.25 a 2 veces el tamaño de nuestra Tierra. ¿Cómo detecta Kepler tales planetas? Los planetas fueron descubiertos a través de las curvas de luz de sus estrellas. La curva de luz es una herramienta que permite determinar cuándo la luz proveniente de la estrella se "eclipsa" debido al paso de un planeta delante de ella. A continuación vemos las curvas de luz para los planetas del sistema  Kepler-62.


A partir del tiempo de eclipsamiento se puede establecer un tamaño mínimo para los planetas en cuestión.

Encontrar planetas con tamaños comparables a la Tierra se está empezando a volver común, mas encontrar planetas en la región de habitabilidad de sus estrellas (región donde la temperatura alcanzada por la radiación emitida por la estrella puede hacer convivir al agua en sus tres estados de forma cómoda) y que estos planetas sean del tipo "rocoso" no es algo que se escuche de forma tan frecuente. Kepler-62e y f tienen  probablemente una composición rocosa, o como mínimo podrían estar cubiertos por agua en estado solido en la mayoría de su superficie. Claro que una cosa es vivir en la zona de habitabilidad, y la otra es que sea posible que pueda existir vida en tales cuerpos. La estrella Kepler-62 es en realidad pequeña y fría  (como lo describiría un astrónomo, una estrella K2), asi que la zona de habitabilidad está mucho más cerca de la estrella que en el sistema solar. El planeta Kepler-69c, que tiene un radio de 1.7 veces el tamaño del nuestro, se encuentra orbitando alrededor de una estrella del mismo tipo que el Sol, con una órbita de 242 días, lo cual podría llevarnos a pensar que se trata de un planeta con características similares a Venus. La noticia completa puede ser leída aquí.

Hoy por hoy no hemos encontrado ningún planeta que cumpla ambas condiciones: tener un tamaño comparable al de nuestra Tierra y orbitar en la zona de habitabilidad. Sin embargo hasta el momento Kepler ha confirmado ya 63 sistemas, tanto en los tamaños de sus planetas como en el tamaño de sus órbitas. Esta página nos muestra estos sistemas ya confirmados, la cual está muy interactiva.

jueves, 18 de abril de 2013

#33 Acerca de los primeros resultados del AMS

Existen dos maneras de medir los rayos cósmicos que nos llegan del espacio. Una manera indirecta, esperando observar qué efectos tienen los rayos cósmicos al interactuar con partículas de la atmósfera, y otra más bien directa, yendo al espacio y midiendo desde ahí. Elegir una u otra dependerá de la cantidad de dinero que seamos capaces de pasar por caja. Esto es, si no contamos con los millones necesarios, mejor nos quedamos en la Tierra e intentamos medir desde acá. Esto ya se hace, existe una veintena de proyectos de base tierra que miden la cantidad de rayos cósmicos mediante los "productos" que hacen su aparición en cascada cuando un rayo cósmico golpea la parte alta de la atmosfera. Por poner un ejemplo tenemos el Pierre Auger Observatory, que es un observatorio de rayos cósmicos ultra energéticos. La idea es tan simple como colocar contenedores de agua distribuidos de manera estratégica en algun área. Abajo la foto de uno de tales contenedores.




Si un rayo cósmico ha atravesado la atmósfera, lo más probable es que choque con alguna de las tropocientas moléculas que  la habitan (probablemente nitrogeno u oxigeno). Estas moléculas recibirán una enorme porción de energía y se desintegrarán en otras partículas que a su vez alcanzarán más moléculas que se encuentren por ahí. Esto provocará una cascada de partículas que en general cubren un gran área cuando alcanzan la superficie. De ahí la necesidad de cúbrir grandes áreas con tales contenedores para determinar que tipo de partícula inicio la cascada. Todavía más problematico aún es la necesidad de recurrir a modelos para estas cascadas que permitan discernir la partícula semilla. Esto como se imaginarán es algo que hace de este método "relativamente" barato (contenedores que detecten emisión Cherenkov por otro lado no son cosa de juego) bastante complejo.

Obviamente uno pensaría que si fueramos directamente al espacio, podríamos interceptar las partículas antes de que se desintegren en miles de millones en la atmósfera, lo que nos daría la ventaja de saber con precisión que nos esta llegando. Y si tenemos una estación espacial a nuestro servicio y millones de dolares del CERN y colaboradores internacionales, tenemos el plato servido. El Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) instalado en la International Space Station (ISS) es un detector de rayos cósmicos (partículas cargadas ultra relativistas que suelen tener origen cósmico). La partícula de principal interés para esta misión es el positron. El positron es una partícula muy interesante, porque veas por donde lo veas, la falta de positrones es alarmante. El universo debería tener tantos positrones como electrones, pero esto no es así. La carencia de positrones es uno de los grandes misterios de la ciencia.


Aún con el desconocimiento de como desaparecio del Universo toda la antimateria "reliquia" del Big Bang, existen muchos otros procesos que crean antimateria continuamente. Medir el total común de la cantidad de positrones que nos llegan es la misión del AMS y podría dar claves de que paso con toda esa antimateria. La próxima figura es el resultado global de 18 meses de detección que indica la fracción de positrones a cada intervalo de energía. La curva tiende a decaer hacia un valor (~10 GeV), tras lo cual la emisión que nos llega del espacio aumenta hasta valores que no pueden determinarse todavía con la cantidad de datos observados hasta el momento.


El artículo técnico de recomendable lectura nos cuenta más en detalle. El exceso de la fracción de positrones no puede ser explicado a menos que se asuma un origen astrofísico no tomado en cuenta hasta ahora en los modelos o nueva física de partículas. Lo primero supone que no entendemos bien la física de los púlsares (estrellas colapsadas que soportan su gravedad únicamente por el principio de exclusión de Pauli, que contienen toda su masa en un volumen esférico de solo algunas decenas de kilómetros y que rotan sobre si mismas a tal velocidad que son capaces de completar una vuelta sobre su eje en fracciones de segundos). Si este es el origen del exceso de positrones que nos llegan, en los próximos años y segun se vayan completando los datos, la curva decaerá a altas energías. De no hacerlo, y esta es la noticia que tiene emocionado a todo el mundo, la mejor hipótesis será recurrir a la aniquilación de materia oscura en el halo de la galaxia. Podemos leerlo aquí, donde se darán detalles acerca del tema.

La matería oscura ya ha pasado por este blog antes. Representa una piedra en el zapato para la astronomía y la física por igual. Siempre escapa a todas las observaciones, perdiéndose de manera misteriosa y evadiendo nuestros esfuerzos más hercúleos por encontrarla. Desde hace mucho se asume que esta sería una clase de partícula que solo sea afectada por la fuerza de gravedad. Esto evitaría que emitiera fotones, y por lo tanto seriamos ciegos a ella. Sin embargo, finalmente podría estar empezando a deslizarse la cortina que nos impide verla. Los positrones actuarían como nuestra luz, y el AMS sería nuestros ojos. Ojos para ver materia oscura. Pero todavía no cantemos victoria...

lunes, 8 de abril de 2013

#32 Resumen acerca de los resultados de Planck

Mucho se ha dicho acerca de los resultados del Observatorio Espacial Planck. Pero como suele suceder, mucho de lo que se dice no es ni fácil de digerir si no tenemos algunas nociones básicas de cosmología y cómo se realizan las mediciones de los parámetros cosmológicos. Así que esta entrada quiero dedicarla a explicar que mide Planck y como interpretamos los resultados que podemos leer en la treintena de artículos que esperan ser publicados hasta el momento (que pueden ser descargados de forma gratuita aquí).

Dicho esto, Planck es un Observatorio de medidas cosmológicas. La medida cosmológica más importante es la del espectro de cuerpo negro del CMB (del que ya hable un poco por aquí). Si medimos la temperatura del espectro en cada punto del cielo obtendremos un mapeado de las anisotropías del CMB. Ese mapeado ya fue fabricado antes, por el Observatorio Espacial COBE:


y después por el WMAP:


Esto es, Planck es el Observatorio Cosmológico de tercera generación. El mapa de las anisotropías de la temperatura obtenido por Planck es el siguiente:



¿Que se obtiene de este mapeado? No es sencillo explicarlo, sin embargo el modelo estándar de la cosmología reza que la temperatura al tiempo de la recombinación (la primera vez que en el Universo aparecieron átomos) tendría que tener anisotropías de origen cuántico, que llevarían al universo a ser lo que es hoy. Estas fluctuaciones (que rondan aproximadamente entre ±0.0005 K) deben ser medidas con gran resolución para identificar diferentes regiones en el universo primigenio, y de ellas podemos derivar los parámetros cosmológicos primordiales, esto es, la fracción de energía del universo, la fracción de materia, la fracción de radiación y la curvatura misma del universo (de lo que ya hable un poco por aquí).

¿Cómo obtenemos estos parámetros? Construyendo un "Espectro de Potencias". El espectro de potencias es un indicador estadístico del grado de "agrupación" de las estructuras a diferentes escalas. Veámoslo de esta manera, las personas primero se agrupan (o viven) en pueblos o ciudades (grandes o pequeñas). Algunas preferirán vivir solas apartadas de la civilización, pero en general la gente prefiere vivir en compañia de otras personas. Luego, las ciudades y pueblos se agrupan en provincias, estados o departamentos (que los llamarás dependiendo del país donde habites). Estas provincias, estados o departamentos a su vez los agrupamos en naciones, y las naciones se encuentran en continentes, los cuales serían los últimos tramos de la escala. Si pudieramos hacer un espectro de potencias de las organizaciones humanas cada una de estas agrupaciones (pueblos ó ciudades, provincias, estados ó departamentos, naciones y continentes) representaría un pico en el espectro. El espectro de potencias obtenido por Planck es el siguiente:


Cada máximo del espectro representa agrupaciones en las anisotropías del CMB a diferentes escalas. El siguiente video nos muestra como se genera el espectro tomando en cuenta las diferentes escalas del mapa del CMB de Planck:


El máximo principal representa las primeras aglomeraciones de materia en el universo primigenio, mientras que los máximos secundarios (llamados modos secundarios) son normalmente asociados con las "Oscilaciones Acústicas Bariónicas" (Baryon Acoustic Oscilations, ó BAOs), ligadas a la materia oscura de la que hablaremos en futuras entradas.

Entrados a esto, la distribución de las anisotropías del CMB debe de depender de las constantes cosmológicas que deben de poder derivarse del ajuste del espectro. El mejor ajuste (realizado con un 68% de confiabilidad) revela que la constante de Hubble, el parámetro cosmológico más importante, es H_0 = 67.4±1.2 km s-1 Mpc-1, mientras que el parámetro de materia (siendo la mayor parte de ella materia oscura) es de Ω_m = 0.315±0.017, el parámetro de energía oscura es Ω_Λ = 0.686±0.020 y el parámetro de curvatura del universo es por tanto Ω_κ = -0.001±0.037, que implica practicamente que κ = 1, un universo plano.

No todo son rosas, la constante de Hubble obtenida por Planck nos trae un valor bastante más bajo que los medidos por surveys externos y por las medidas de las supernovas (Reiss et al., 2011), con H_0 = 73.8±2.4 km s-1 Mpc-1, ó el predecesor WMAP-9 (Hinshaw et al., 2012) con H_0 = 70.0±2.2 km s-1 Mpc-1. Gajes de la ciencia, prometo mantenerles informados de como se resuelve esta discrepancia, si es que lo hace.

Finalmente, tal vez la única nota del Planck que realmente signifique nueva ciencia (ya que los predecesores de Planck habían medido todos los parámetros mencionados anteriormente) es el acuerdo en 6 sigmas con respecto a la existencia de un período inflacionario, un momento del universo donde la razón de la expansión fue increíblemente mayor que en cualquier otra era. ¿Por qué sucedio la era inflacionaria? Nadie lo sabe. ¿Es seguro ahora afirmar que ocurrió tal época? No, todavía deberán de rechazarse (o verificarse) otras hipótesis. ¿Por qué pensamos que ocurrió tal evento cósmico? Lo explicaré en futuras entradas, por el momento espero que el presente nos ponga al corriente de qué midió Plank y nos acerce más a comprender como se construye la ciencia de la cosmología observacional.

miércoles, 3 de abril de 2013

#31 El origen de las unidades de medida. (ParteII: Las primeras unidades de medida.)

En la anterior entrega de esta serie aprendimos algunas de palabras que designan grandes números y los errores que comunmente se cometen al utilizarlos. En esta ocasión entraremos en materia para hablar de las primeras unidades de medida.

El uso de las primeras unidades de medida se pierde en el tiempo, pero se cree que surgió como una necesidad de comunicar a  otros miembros de la comunidad información referente a distancias y a tiempo. Por ejemplo la distancia que es necesario recorrer para encontrar una fuente de agua o una presa de caza, o el tiempo transcurrido entre estaciones o temporadas de caza o recolección de determinados alimentos. Obviamente la primera unidad de tiempo utilizada fué el día, marcado por el paso del  Sol, y el mes, marcado por las fases de la Luna. De la misma forma las distancias largas se medían en días de camino necesarios para alcanzar un determinado lugar. Así pues, fue probablemente la astronomía la más antigua de todas las ciencias que dio a la humanidad la posibilidad de medir y cuantificar su entorno.

Las fases de la Luna fueron una de las primeras unidades utilizadas por nuestros ancestros para medir el tiempo. (Foto: Observatorio Astronómico de la UNAN-Managua).
Así cuando notaron que la sucesión de las estaciones coincidía con la salida y puesta del Sol por determinados puntos del horizonte nació el concepto de año. Los registros  más antiguos del uso de la astronomía para medir el tiempo datan de hace 3600 años. Se trata del famoso Disco de Nebra,  un disco de bronce elaborado un pueblo prehistórico que habitó una región de Alemania durante la Edad del Bronce y la Edad del Hierro. En este disco están representadas estrellas, el Sol, la Luna y están marcados los lugares en el horizonte por donde se ponía el Sol en los Solsticios y los equicoccios, señalando así el comienzo de las estaciones. El disco fue utilizado durante aproximadamente mil años hasta la Edad del Hierro (se desconoce si por el mismo pueblo que lo construyó originalmente) y fue modificado en al menos cuatro ocasiones para reflejar los conocimientos que tenían los usuarios del momento. Fue encontrado en una colina utilizada para rituales religiosos durante la Edad del Hierro.

El Disco de Nebra, de 3600 años de antigüedad, muestra que ya en la Edad del Bronce se utilizaban instrumentos astronómicos para medir el tiempo. (Foto: Wikimedia Commons)


Pero no creamos que esto fue exclusivo de los humanos, sabemos que hay animales que utilizan también sus propias unidades de medida para transmitir información sobre alimentos a otros miembros de su especie, como las abejas, que tienen un lenguaje matemático para indicar distancias y rutas sorprendentemente desarrollado.

Conforme las habilidades tecnológicas de los humanos se fueron desarrollando, especialmente con la necesidad de intercambiar bienes y mercancías y de ordenar la tierra para la agricultura, surgió la necesidad de establecer unidades de media variadas para diferentes magnitudes físicas y aplicaciones. 

En un principio, de forma natural se empezaron a usar partes del cuerpo humano o su movimiento como unidades de medida, así nacieron los pasos para medir distancias cortas. Pero pronto fueron necesarias unidades más precisas. Hace 2600 años los babilonios y los egipcios utilizaban ya el cúbito como unidad de longitud. El cúbito, también llamado codo era la distancia del antebrazo desde el codo hasta la punta del dedo medio. Los romanos definieron el pie como dos  tercios de un cúbito y así esta unidad se extendió por todo el imperio, siendo una de las pocas que han sobrevivido hasta hoy, ya que la mayoría de las bien definidas unidades de medida romanas entraron en desuso al caer el imperio.

En la mitología Judeo-Cristiana, Dios le da instrucciones a Noé para construir el arca,  y las medidas  le son especificadas  en cúbitos, lo que muestra la influencia  de egipcios y babilonios en la cultura hebrea de la época.

Para medir volúmenes de forma pragmática se utilizaron los recipientes en que se almacenaban como unidades de volúmen. Esto variaba según se midiera el volúmen de líquidos o de sólidos. Por ejemplo para comerciar se utilizaban ánforas para el vino o toneles para la cerveza. Así aun hoy en dia utilizamos unidades de volúmen como la taza o la cucharada para nuestras recetas de cocina o el barril para los combustibles líquidos. 

Muy pronto surgió la necesidad de estandarizar estas unidades de forma precisa para el comercio por lo que surgieron los patrones de las unidades de medida, pero esto es un tema  que dejaremos para la siguiente entrega.