domingo, 26 de mayo de 2013

#38 Kepler RIP

Lo que sigue es un resumen de la noticia que puede leer por aquí.

Kepler es un telescopio espacial de 1.4 metros, cuyo principal objetivo es la búsqueda de planetas extrasolares a partir de las curvas de luz de las estrellas que observa (por ejemplo aquí). Este objetivo era logrado a través de un complejo sistema que permite al telescopio observar regiones con una gran precisión tanto en brillo como en posición. Para este fin contaba con sistemas de giroscopios que eran accionados por cuatro "ruedas" que orientaban al telescopio. Para su correcta orientación tres de las cuatro ruedas eran necesarias. En Julio del año pasado una de estas ruedas se dañó. La segunda rueda se dañó la semana pasada (escribo esto en 26/05/2013), por lo que la misión prácticamente se ha dado por perdida. Sin un sistema de giroscopios que orienten la nave, los científicos a cargo son incapaces de controlar la dirección en la cual apunta el telescopio. 

Las ruedas de la misión Kepler instaladas en la nave (en negro).

Curiosamente las ruedas del tipo que se han usado en esta misión han fallado en otras ocasiones, o han sido en algún punto poco fiables para ser usadas. "Reconocemos que las ruedas han tenido una historia bastante accidentada", dice William Borucki, científico espacial del Ames Research Center en Campo Moffett , California, y principal investigador de la misión Kepler. En 2001, las ruedas del Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer de la NASA tuvieron un fallo semejante, mientras que la misión japonesa Hayabusa presento fallos en 2004 y 2005. El sistema de ruedas del TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics de la NASA) presento una experiencia similar en 2007, y la misión de la agencia Dawn sufrió fallos en 2010 y 2012.

Los ingenieros de la NASA tenían el conocimiento de los fallos en este tipo de ruedas antes de lanzar la misión Kepler al espacio, en 2007, como nos lo hace saber John Troeltzsch, ingeniero en jefe del programa Kepler de Ball Aerospace en Boulder, Colorado. "Nos dimos cuenta de cuán serio (era este problema) ha finales de 2007", nos dice. Para entonces la misión estaba a punto de lanzarse y resultaba inviable realizar ajustes para intentar corregir las fallas debido en parte al alto costo de estos y a que la misión ya se había pospuesto en dos ocasiones anteriores. A pesar de esto, las ruedas fueron re-examinadas y algunos ajustes de último minuto para evitar futuras complicaciones fueron realizados. Troeltzsch dijo, "La valoración fue que los cambios prevendrían la ocurrencia del tipo de problemas que habían sucedido en ocasiones pasadas".

Tras el fallo de las dos ruedas, capaces de llegar a entre 1000 y 4000 revoluciones por minuto, la nave ha entrado en "modo seguro", mientras el debate de cuáles deberían ser los pasos a seguir se abre. Por lo pronto, no parece viable una misión de rescate que reemplace las ruedas, con lo cual "La ciencia que estábamos haciendo con Kepler, tal y como la estábamos haciendo, ha acabado", nos dice Troeltzsch.

La gráfica muestra la el período de la órbita de los exoplanetas descubiertos por Kepler contra  su tamaño.

La misión Kepler inició en 2009, tuvo un costo de US$600 millones y lograba discernir una fluctuación en 10 partes por millón de la luz de una estrella para poder identificar eclipses debidos a planetas. Kepler descubrió más de 2700 candidatos a planetas extrasolares, mientras que confirmó 63 sistemas tanto en tamaño como en órbita. Se esperaba que la misión acabara en 2016.

miércoles, 22 de mayo de 2013

#37 El origen de las unidades de medida. (Parte III: La edad media.)

Continuamos nuestro viaje para conocer las unidades de medida que utilizamos para describir nuestro mundo y para darle sentido a tantas cosas en la vida, empezando por la economía. En Nicaragua al igual que en otras partes de América Latina, a pesar de los diversos esfuerzos de los gobiernos por estandarizar el uso del Sistema Internacional de unidades de medida (del cual hablaremos en una entrega futura) es común encontrarse con unidades de medida de un origen muy diverso. Encontramos unidades de medida del Sistema Internacional o sus derivadas como el litro en las botellas de bebidas y el centímetro (derivado del metro) conviviendo con unidades provenientes del Sistema Imperial (o Sistema Inglés) como la pulgada, la yarda, el galón, o la libra. Así mismo curiosamente también conservamos en uso unidades de medida de origen medieval europeo heredadas de la colonia española que en el mismo continente europeo han pasado al olvido desde el siglo XIX. En la entrada de hoy aprenderemos sobre este último interesante grupo.

Recreación de un mercado medieval en Óbidos, Portugal. (Foto: http://www.cuenta-atras.com/media/uploads/ImagenesOfertas/minhotour/obidos-cuenta-atras/)


En la edad media europea no existía una regulación general sobre las unidades de medida, pues como vimos en una entrega anterior, al caer el Imperio Romano se perdieron gran parte de las unidades de medida que se habían logrado estandarizar. En la Europa medieval (Y también se puede aplicar al Norte de África, Oriente Medio y Asia Occidental pues había intercambio comercial fluido entre todas estas regiones) cada ciudad (llamada también villa) tenía sus propios patrones que diferían de los de otras ciudades. Esto podía ser un gran problema para los comerciantes. Para ayudarles en su trabajo, a la entrada de cada ciudad y puerto comercial, y con más frecuencia en la plaza del mercado de la villa, en una pared solían haber a su disposición unas muestras de los patrones utilizados en dicha ciudad para que los usaran como referencia. Por ejemplo en esta foto vemos la vara, unidad de medida de longitud de la cual proviene la vara que utilizamos actualmente en Nicaragua. Esta de la fotografía corresponde a la utilizada en la villa de Jaca así como en todas las villas bajo su dominio o gobierno, en el antiguo reino de Aragón (actual España) . La de la fotografía se encuentra en la catedral de la villa.

Patrón de una vara medieval en una pared de la catedral de la villa de Jaca en España. (Foto: Wikimedia Commons)

Los comerciantes y los oficiales a cargo de velar que no se cometieran fraudes en los mercados realizaban copias en madera o metal de estas varas para poder darles uso práctico, como podemos ver en la siguiente figura. En este caso es una composición de dibujo sobre foto en la que se muestra al Almutafaz u oficial designado por el rey para vigilar el orden y legalidad de las transacciones en el mercado, comprobando que una vara de medir de un comerciante esté en acuerdo con el patrón de la villa, en este caso Sos del Rey Católico (que utilizaba también la vara jaquesa). Esa vara patrón en concreto fue tallada en el año 1339. (Más información aquí.)


Oficial Almutafaz comprobando la longitud de una vara de medir comercial.

Algunas veces tenían una definición procedente del uso militar, por ejemplo en ese caso una vara se definía como la distancia entre el centro del pecho y la mano con el brazo extendido y era aproximadamente la longitud de la flecha de un arquero.

También habían patrones para peso, volumen y lo que fuera necesario medir para el comercio. Por ejemplo junto a la vara de medir se colocaban balanzas y recipientes (cántaros, alcántaras) como representación de la unidad de volumen estándar. Sin embargo este sistema podía ser todo un dolor de cabeza ya que prácticamente, no cada reino, sino cada ciudad importante tenía sus patrones propios. En el caso de España y Portugal, los dos reinos principales que heredaron sus patrones de medida a América Latina, sus unidades (así como gran parte de muchos otros aspectos de su cultura) estaban muy influenciados por los utilizados por los árabes del norte de África, que ocuparon gran parte de la Península Ibérica durante la edad media. Esto se nota en el origen árabe del nombre de algunas de estas unidades como la "alcántara", la balanza árabe usada para medir pesos (en realidad masas), o el nombre mismo del oficial del mercado (Almutafaz). 

Imaginemos esta diversidad multiplicada por el número de ciudades que habían en toda Europa, Oriente Medio, Asia Occidental y el Norte de África. Hacía falta una estandarización. Si bien esta no de logró realmente hasta el siglo XIX con el Sistema Internacional, ya desde el renacimiento se hicieron grandes esfuerzos por lograrlo, aunque fuera a lo interno de cada reino o estado. 

Dibujo de Venecia (en la actual Italia) en el año 1500. Venecia llegó a ser uno de los puertos más importantes de Europa y el Mediterráneo durante la edad media, donde llegaban comerciantes desde lugares tan lejanos como China y la India a vender sus productos, lo que obligaba a los comerciantes venecianos a tener un buen dominio de los distintos sistemas de unidades de medida de la época. (Imágen: http://turquistan.wordpress.com/)


En este enlace tenemos una muestra de algunas de las unidades de medida medievales más comunes y su correspondencia aproximada en el Sistema internacional. (Recodemos que las medidas podían variar significativamente de una ciudad a otra).

Aquí hemos visto solo algunas unidades de ejemplo, pero la variedad de ellas a lo largo del mundo medieval era grande, tanto en definición como en valor. En la próxima entrega veremos como con el "descubrimiento" del nuevo mundo por parte de los navegantes europeos algunas de estas unidades medievales llegaron al continente americano y como a su vez las nuevas necesidades comerciales y militares dieron pie a que surgieran nuevas unidades.

jueves, 16 de mayo de 2013

#36 Grandes Simulaciones de N Cuerpos

Estudiar la Estructura a Gran Escala no suele ser sencillo. Se necesita recolectar una gran cantidad de datos espectroscópicos de una gran cantidad de galaxias en miles de cúmulos y ademas, de esto intentar mapear el gas que reside en esas galaxias, tomar en consideración la energía oscura y la materia oscura, los grandes vacíos y también tomar en cuenta que no toda la materia que "brilla'' (materia bariónica) podrá verse. Esto último suele deberse a los llamados efectos de selección, que limitan el poder de los surveys (grandes misiones dedicadas exclusivamente al mapeo de regiones del cielo o cielo completo, o busqueda de un cierto tipo de objeto). Un ejemplo muy común de un efecto de selección es la magnitud máxima sobre la cual el nivel de ruido perjudicará una medida espectroscópica. Y esto provoca que el universo local este mejor mapeado que las regiones más distantes.

Una estrategia es darle la vuelta a la tortilla e intentar entender la Estructura a Gran Escala usando simulaciones por computadora. Es básicamente como jugar un videojuego, aunque en este caso solo somos capaces de controlar las condiciones iniciales, dejando correr el resto de lo que sucederá a su libre albedrío. Las constantes fundamentales de la cosmología (de los que ya alguna vez hable por aquí) deben ser elegidos cuidadosamente de los resultados de los más importantes surveys, ya que estas constantes definirán la física del "universo'' que nos planteamos crear. Dos simulaciones nos son especialmente interesantes, por su tamaño y poder para reproducir lo observado en la Estructura a Gran Escala. La primera de estas es la mítica simulación del "Millennium'', que fue la primera "gran" simulación de N cuerpos de la historia. La idea básica es comenzar con una gran cantidad de "cuerpos" (para Millennium fueron usadas ~10×10⁹ partículas) distribuidos al azar en una caja rectangular de 500 h Mpc (recordemos que 1 h Mpc ~ 3.2×10²² años luz), con una cierta masa por partícula (típicamente de 10⁹ masas solares, la masa de un gran cúmulo de estrellas o de una pequeña galaxia), los cuales se dejarán evolucionar, esto es, simplemente veremos como estas partículas empiezan a responder ante la fuerza de gravedad que sienten entre ellas. El problema de los N cuerpos debe ser resuelto numéricamente en una cantidad de pasos cuantizados tras los cuales cada partícula dentro de la caja se habrá movido una cierta distancia que depende de las interacciones que será capaz de cálcular la supercomputadora que podamos comprar. Las especificaciones de este experimento estan en Springel et al 2005 (el preprint puede ser descargado de forma gratuita aquí). La simulación del Millennium comienza en un tiempo z=127 y termina en z=0, lo cual es un lapso de 10 giga años que termina en nuestra época. La estructura final es desplegada en una hermosa película que asombró a todos en su momento. La podemos ver a continuación.



Mientras los años pasaban el poder computacional se incrementaba de acuerdo a la ley de Moore, permitiendo incrementar el número de cálculos (recordemos que Millennium necesitaba aproximadamente 10¹⁰ cálculos por paso). Tal es el caso que una nueva simulación con mayor resolución (una caja de 250 h Mpc) que permite determinar en mayor detalle la Estructura a Gran Escala, la simulación Bolshoi (del ruso "Grande'', Klypin et al. 2011). El número de partículas es menor, 8×10⁹, pero la cantidad de pasos en su evolución se ha incrementado en el 400%, esto es 400000 pasos para cada partícula entre z=80 a z=0. El resultado también es desplegado en la siguiente película.



Sin embargo, todo tiene un pero. En el caso de las grandes simulaciones, este es que lo que se simula no son galaxias ni estrellas, esto es, la materia que podemos ver, que en este blog llamaremos materia bariónica desde aquí en adelante. Desde hace mucho se sabe que la gran cantidad de materia del Universo se encuentra en forma de halos de materia oscura (de los que hemos hablado aquí y aquí ), que corresponde al 90 por ciento de toda la materia que existe en el Universo. Estas simulaciones no toman en cuenta la materia bariónica, de tal manera que lo que observamos en esas simulaciones, todos esos puntos luminosos, no representan realmente galaxias ni aglomeraciones de estrellas, sino partículas de materia oscura dentro de las cuales deberían de "vivir'' las galaxias. Estas partículas efectivamente tendrán que acoplarse con la materia bariónica en algún momento de la evolución si quieren describir el Universo. Pero con este tipo de simulaciones no podemos entender por ejemplo problemas de segregación o ambiente galáctico en cúmulos o en supercúmulos de galaxias. Una forma de atajar este problema es considerar funciones "semi-analíticas" que cambien las condiciones del ambiente para acercar las simulaciones un poco más a la realidad. Estas funciones deberán de asumir como el ambiente es modificado por la presión del gas y la radiación. En mi opinión, simular materia bariónica dentro de los halos de materia oscura es el próximo gran reto de las simulaciones de N-cuerpos. Después de todo, nosotros vivimos en una galaxia formada por materia bariónica, parte de la cual nosotros mismos estamos formados.