sábado, 13 de diciembre de 2014

Ares vs Antiares

Ares, el dios tracio, es amante de la batalla por el puro placer de la lucha. Su sed de sangre es insaciable. Su antagonista es Atenea, la diosa sabia asociada a la "guerra justa". Aunque a veces Ares resulta humillado, o toma el lado de los perdedores, a él no le importa: mientras haya violencia y horror la pasa bien. En el relato homérico, por ejemplo, Atenea tomó el partido de los aqueos, los vencedores, mientras que Ares protegió a los troyanos.

En el panteón romano Ares es Marte, y goza de un lugar más digno (claro, es el padre de Rómulo y Remo). Ambos dioses fueron asociados, desde tiempos muy antiguos, con la estrella vagabunda roja y ardiente: el planeta Marte. Y, en el cielo, el planeta también tiene una rival: la estrella roja que marca el corazón del Escorpión, Antares, anti-Ares. En septiembre pasado tuvo lugar un nuevo encuentro de esta milenaria batalla.

Sus recurrentes encuentros son siempre encantadores. Antares es una de las estrellas más brillantes, y como su color anaranjado es casi idéntico al del planeta, tradicionalmente es una de las conjunciones más esperadas. Además es una buena oportunidad para fotografiar ambos a la vez e ilustrar uno de los hechos más notables de las estrellas y los planetas tal como los vemos a ojo desnudo en el cielo: las estrellas titilan, los planetas no. 

Para hacerlo basta esperar que el planeta y la estrella se encuentren suficientemente cerca como para poder fotografiarlos a ambos a la vez con un teleobjetivo. Y entonces hay que hacer exactamente lo contrario de lo que uno hace habitualmente en la fotografía astronómica: ¡hay que sacudir la cámara! El resultado es, para cada estrella o planeta, una traza luminosa siguiendo el movimiento de la cámara. El tiempo queda congelado en esta breve trayectoria, de modo que podemos ver las variaciones de brillo a lo largo de las trazas. Como los planetas no titilan sus trazas son nítidas y constantes. En cambio las estrellas producen trazas de brillo y color cambiante.

Tomé estas fotos el 26 de septiembre, con Marte y Antares separados por apenas 3°. Sostuve la cámara en la mano para una exposición de 1 segundo. En lugar de esforzarme para mantenerla quieta la hice oscilar para acá y para allá. En las fotos vemos, además de Marte y Antares, la estrella de tercera magnitud Sigma (σ) Scorpii, una estrella azul que titila todavía más que Antares. En la foto de aquí arriba las acomodé una encima de otra. En la de abajo las vemos tal como aparecían en el cielo.



Hace un par de años hice algo similar con Saturno y la estrella Spica, también ambos de brillo similar como Marte y Antares, pero de colores muy contrastantes. Ya las he mostrado, pero el resultado me gusta tanto que reproduzco aquí la foto. Spica, que es una estrella azul, se ve cambiando de color como loca. En Antares el efecto no es tan notable. No sé si fue una casualidad de ese día (el titilar depende de la turbulencia de la atmósfera, de modo que cambia noche a noche), o si las estrellas rojas simplemente titilan menos. Habrá que seguir probando.

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sábado, 6 de diciembre de 2014

El cinturón de Fernández

Digámoslo desde el principio para que quede bien clarito:
El cinturón de Kuiper debería llamarse cinturón de Fernández.
¿De qué estamos hablando? Este cinturón es un numeroso enjambre de objetos similares a núcleos de cometas que pueblan el helado abismo más allá de la órbita de Neptuno. Plutón es uno de ellos, pero hoy se conocen miles, y probablemente son cientos de miles o millones. Creo que en los próximos meses se hablará mucho del cinturón de Kuiper. ¿Por qué?  Porque hoy, dentro de pocas horas, el robot New Horizons, en viaje interplanetario desde 2006, se despertará por última vez para encarar el tramo final de su larguísimo viaje. Un viaje que dentro de seis meses lo llevará a explorar el sistema de Plutón, para dirigirse luego a otro u otros objetos del cinturón.

En 1930 Plutón, por ser el más brillante, fue el primer miembro del cinturón en ser  descubierto. El segundo llegó recién en 1992. Así que no fue sino hacia fines del siglo que nos percatamos de su número plural. Pero los astrónomos ya lo sospechaban: impulsados por la fuerza de la lógica, la física y la matemática ya habían conjeturado su existencia.

Gerard Kuiper fue un influyente astrónomo holandés-norteamericano. En 1950 publicó un ambicioso artículo titulado Sobre el origen del sistema solar. Allí argumenta que más allá de Neptuno debería haber habido, en la nebulosa de la cual se formaron los planetas, una gran cantidad de materia "condensable", y que una parte de ella sería responsable de los cometas. Pero agrega que la acción de Plutón y Neptuno deberían haber dispersado estos cuerpos rápidamente, formando la nube esférica ya sugerida por Oort, mil veces más lejana. Un artículo muy inspirador, que extiende sus argumentos para considerar la formación de sistemas planetarios alrededor de otras estrellas, y que concluye diciendo "uno puede sólo especular acerca de las posibles formas de vida desarrolladas en estos numerosos y desconocidos mundos". Pero, como vemos, un artículo que esencialmente propone que no debería existir el cinturón que hoy ostenta su nombre.

Kuiper volvió sobre el tema en 1974, en otro trabajo muy parecido, llamado Sobre el origen del sistema solar, I. Dice lo mismo sobre los cometas y hacia el final anuncia el contenido de la parte II, donde habría toda una sección dedicada al tema. Lamentablemente Kuiper murió durante unas vacaciones en México mientras la parte I estaba en prensa (según indica una notita agregada al final por los editores de la revista).

Enter Fernández. Astrónomo uruguayo de la Universidad de la República, Julio Ángel Fernández, en ese entonces en Madrid, publicó en 1980 un artículo titulado Sobre la existencia de un cinturón de cometas más allá de Neptuno. ¡Ajá! En las  primeras líneas Fernández cita el antecedente de Kuiper, por supuesto. Discute que hay una sobreabundancia inexplicada de cometas de período corto (como el 67/P Churymov-Gerasimenko, que el mes pasado saltó a la fama). Y desarrolla un argumento y un modelo físico para mostrar que debería existir un cinturón de objetos de hielo de alrededor de 1021 kg a 40-50 unidades astronómicas. Precisamente el cinturón que hoy conocemos.

Muchos astrónomos son conscientes de la injusticia del nombre (ver por ejemplo acá). Pero me temo que durante los proximos meses, a medida que las observaciones de New Horizons empiecen a llegar y leamos en los diarios qué es esto del cinturón de Kuiper, el nombre se instalará en la cultura popular y será inamovible. Sólo nos quedará recitar para adentro "el cinturón de Fernández..."


Kuiper se pronuncia kóiper en holandés, pero los norteamericanos le dicen káiper. La foto lo muestra revisando el atlas fotográfico de la Luna preparado por él mismo en base a las observaciones de las sondas Ranger y Surveyor en los sesentas. La foto de Fernández es de Alejandro Sequeira, tomada del blog de Armando Olveira. La imagen de New Horizons en Plutón está hecha, por supuesto, con Celestia.

Gerard P. Kuiper, On the origin of the solar system. Proceedings of the National Academy of Sciences 37, 1-14 (1951).

Gerard P. Kuiper, On the origin of the solar system, I. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 9, 321-348 (1974).

Julio A. Fernández, On the existence of a comet belt beyond Neptune. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 192, 481-491 (1980).

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sábado, 29 de noviembre de 2014

Me mareo relativamente

Las mareas oceánicas en la Tierra, dijimos hace poco, se deben a que la gravedad de la Luna afecta de manera diferente las partes cercanas y las partes lejanas del océano: más fuerte las cercanas y más débilmente las lejanas. Esto produce una aceleración relativa entre ambos lados del mundo, que resulta en un estiramiento del océano en la dirección Tierra-Luna.

El fenómeno es más general que el que produce la Luna en los océanos: la Tierra produce mareas sobre la Luna que han frenado su rotación hasta obligarla a mirarnos siempre con la misma cara, las galaxias se arrancan mareas de estrellas cuando chocan, etc., etc. De tanto pensar en Interestelar se me ocurrió contar una vuelta de tuerca que nos llevará a territorios insospechados.

Imaginemos un experimento a bordo de una Estación Espacial. Dentro de la Estación no sentimos la familiar gravedad, tan presente cada día de nuestras vidas. Ya hemos contado la razón de esta ingravidez, que estrictamente se llama caída libre. Si ponemos una semilla de sésamo en el aire delante nuestro, con mucho cuidado de no empujarla, allí se queda. Si le damos un ligero impulso se alejará en línea recta y con velocidad constante hasta chocar con la pared. Hace exactamente lo que dicen las leyes del movimiento, que conocemos desde Galileo.

Compliquemos el experimento. Si ponemos dos semillas de sésamo, una a algunos centímetros de la otra, allí se quedarán ambas. Ni se acercan ni se alejan. Como dos líneas paralelas dibujadas en un plano, que ni se acercan ni se alejan una de otra. Esta analogía es más profunda que lo que puedo explicar aquí, pero podemos decir que el espacio mismo (el espacio-tiempo, estrictamente) es plano. Las paralelas no se juntan, y las semillas de sésamo tampoco.

Un día recibimos un aumento de presupuesto y decidimos agrandar la Estación. Agrandarla mucho. ¿Qué pasa con el experimento? Bueno, va a pasar como con las mareas: la atracción sobre las dos semillas va a ser distinta si están muy separadas: vistas desde la Estación, habría una aceleración relativa entre ambas. Puede ocurrir como en esta figura, por ejemplo: aunque ambas semillas estén a la misma distancia de la Tierra, las aceleraciones forman un ángulo. Por más que las dejemos inicialmente en reposo acabarán acercándose. Ya no son como las paralelas en un plano. Son más bien como los meridianos en un globo terráqueo: parecen paralelas al principio, pero acaban acercándose. El espacio-tiempo dentro de la Estación no es plano: es curvo.

En otras palabras: dentro de la Estación podemos no sentir la familiar "fuerza de la gravedad", pero allí está: se manifiesta como fuerza de marea. O como curvatura del espacio-tiempo. Son lo mismo: la marea es curvatura, y la curvatura es marea. Son los distintos puntos de vista de Newton y de Einstein acerca de la naturaleza del espacio-tiempo: para uno el agente que mueve las semillas es la fuerza de marea, para el otro es la curvatura del espacio tiempo. Si entendiste esto, entendiste el fundamento de la Relatividad General.

¿Creés que la Relatividad General concierne sólo el movimiento de semillas de sésamo en la Estación Espacial? ¿O los agujeros negros y cosas por el estilo, alejadísimos de la vida cotidiana? ¡Nada de eso! Fijate en lo siguiente. Einstein descubrió todo esto hace 100 años. Nadie, ni Einstein ni ninguno de sus colegas, ni ninguna agencia gubernamental, habría podido detectar que lo que estaba haciendo tendría aplicaciones de algún valor económico o social. Si se hubiera presentado a pedir un subsidio de un hipotético Programa Nacional de Innovaciones de Interés Público se lo habrían negado. Y ningún programa por el estilo habría podido encauzar el trabajo de nadie para que descubriera la Relatividad General. Pero 100 años después tenemos un Sistema de Posicionamiento Global (GPS), que funciona gracias a la Relatividad General, y que ha revolucionado la navegación de todo tipo, la cartografía, la geología y mucho más. Lo mismo, exactamente lo mismo, ocurrió con la electricidad, con la mecánica cuántica, con la decidibilidad, con infinidad de cosas.

Hay una lección para aprender de aquí, y es tan evidente que ni siquiera necesito enunciarla.


Para leer a toda velocidad como en el final de las publicidades modernas: El experimento dentro de la Estación requiere que la estación no rote. La ISS rota sobre sí misma, para mantener siempre la misma orientación hacia la superficie. El sistema en caída libre se llama sistema inercial de referencia. Si rota deja de ser inercial. Si es muy grande y está cerca de un planeta, deja de ser inercial. Si está cerca del centro de un agujero negro tenemos que hacerlo muy chiquito para que siga siendo inercial. Aun si la estación es pequeña y las semillas están a centímetros de distancia una de otra, la aceleración de la gravedad no es exactamente igual en una semilla que en la otra, y acabarán acercándose: los astronautas llaman a esta situación microgravedad. Las semillas de sésamo aparecen en los ejemplos como "partículas de prueba", que no se atraigan gravitacionalmente entre sí. Las semillas de sésamo son muy ricas.

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sábado, 22 de noviembre de 2014

Me mareo con los fideos

Ya he contado un par de cuestiones básicas sobre la marea, en las notas Me mareo con la marea y Me mareo con el eclipse. Brevísimo resumen:

1. Primero y principal, ocurren dos mareas altas por día, a horas que se van corriendo a lo largo del mes.

2. Segundo y principal: las mareas son producidas por la gravedad de la Luna (y del Sol), por lo cual afectan a toda la materia por igual (y no sólo al agua).

3. Tercero y principal: las mareas no tienen nada que ver con la luz de la Luna, de manera que los eclipses no hacen ninguna diferencia.

Ha llegado el momento de explicar por qué se producen las mareas.

En Me mareo con la marea conté que las dos mareas diarias se deben a que la acción de la Luna produce dos bultos en los océanos de la Tierra: uno hacia la Luna y otro en la dirección contraria. Estos bultos son lo que experimentamos como mareas altas cuando la Tierra gira "dentro" de ellos, como muestro en este dibujo. ¡Lo que no es fácil de entender es por qué hay dos bultos! Si la Luna tira para un lado, ¿por qué no hay sólo un bulto, apuntando hacia la Luna? Eso es lo que intentaré explicar.

El doble bulto se origina en la diferencia entre la atracción sobre la parte más cercana a la Luna y la parte más lejana. La gravedad depende de la distancia. Y como la Tierra es grande, la gravedad que ejerce la Luna sobre la parte más cercana de la Tierra es mayor que la que ejerce sobre la parte más lejana. En partes intermedias, como el centro de la Tierra, por supuesto la intensidad de la atracción es intermedia. La situación es más o menos como está dibujada aquí, donde las flechitas representan la aceleración gravitatoria producida por la Luna. A propósito, ésta es la razón por la cual la Luna no afecta a la gente: la diferencia de la atracción gravitatoria de la Luna entre la cabeza y los pies, por más alto que uno sea, es absolutamente ignorable. Y, por supuesto, el hecho de que seamos 70% agua no juega ningún rol (ver arriba la cuestión segunda y principal).

Es conveniente representar la misma situación vista desde la Tierra. Parados en la Tierra no experimentamos la acción de esa flechita que apunta desde el centro de la Tierra hacia la Luna. Esa flechita es la que nos mantiene en órbita (la Tierra y la Luna orbitan ambas alrededor de su mutuo centro de masa). De tal manera que, parados en la Tierra, podemos referir las dos atracciones, la de la parte lejana y la de la parte cercana, a la del centro. Como la de la parte cercana es mayor que la del centro, el efecto neto es una atracción hacia la Luna. Y como la de la parte lejana es menor que la del centro, el efecto neto es una aceleración de la gravedad alejándose de la Luna. La situación está representada aquí al lado. Este efecto diferencial entre la parte cercana y la parte lejana produce un estiramiento de la Tierra en la dirección Tierra-Luna: las dos pleamares diarias. También el aire y hasta la corteza misma de la Tierra se estiran de esta manera, si bien el estiramiento del océano es el más notorio. Por supuesto la Tierra hace algo análogo sobre la Luna (aunque ésta no tenga océanos), y cualquier cuerpo masivo sobre cualquier otro que tenga cerca. En la película Interestelar, las "olas" gigantes que encuentran Cooper y Brandt en el planeta Miller no son olas verdaderas, sino estos dos bultos, enormes mareas producidas por el agujero negro alrededor del cual el planeta orbita. Ven pasar una por hora, ¡así que el planeta está girando muy rápido! Eso sí: no deberían ser tan puntiagudas... eso es una licencia dramática... y además el planeta debería estar con su rotación bloqueada por la marea... Pero me estoy yendo por las ramas.

En los dibujos exageré la magnitud del estiramiento, que en realidad es pequeñisimo comparado con el tamaño del planeta (50 cm de diferencia entre la pleamar y la bajamar, lo resuelven los chicos de Mecánica Clasica en el Problema 1 de la Guía 8). ¿Cómo podríamos hacer para que fuera mayor? Por la manera en que la atracción gravitatoria depende de la distancia, puede aumentarse este efecto diferencial si los cuerpos están más cerca. Existe un límite, llamado límite de Roche, que vincula este estiramiento con la fuerza que ejerce un cuerpo para mantenerse íntegro bajo la acción de su propia gravedad (el equilibrio hidrostático, digámoslo sin tapujos). Si un satélite cruzara este límite el estiramiento de las mareas ejercidas por su planeta lo destrozaría y se formarían anillos. Y todos sabemos que esos anillos existen.

Imaginemos que el satélite está hecho de una súper plastilina, y que su cohesión interna le permite atravesar el límite de Roche. ¿Hasta dónde podemos llegar? En algún lugar se van a tocar las superficies de los dos cuerpos. ¿Podemos hacer algo para evitar esta colisión? Bueno, si uno de los cuerpos es un agujero negro (atentti!) no tiene una superficie con la que podamos chocar. Podemos acercarnos mucho mucho, y estirarnos cada vez más y más, uno podría decir que sin límites. Existe un nombre fantástico para este fenómeno: espaguetización, porque nos estiramos como un fideo. Mientras el cuerpo aguante...

Creo que nunca se había visto directamente este fenómeno hasta este año, cuando una gran nube de gas caliente se acercó y dio vuelta alrededor del agujero negro gigante que se encuentra en el centro de la Vía Láctea. Ya he comentado el evento. El máximo acercamiento ocurrió en los primeros meses de este año, y los astrónomos esperaban ver la nube destrozada y convertida en una verdadera sopa de cabellos de ángel. La nube se estiró, pero mucho menos que lo que esperaban los astrónomos. ¡Y sobrevivió! El resultado fue anunciado recientemente, y aunque todavía no está del todo claro qué es lo que ocurre, aparentemente la nube no es puro gas difuso, sino que tiene adentro una estrella, y la gravedad ejercida por la estrella le permitió sobrevivir (eso, o es de súper plastilina, como en el ejemplo de arriba). La nube+estrella, por supuesto, está en órbita alrededor del centro de la galaxia, así que es posible que el fenómeno se repita periódicamente. Otra nube parece estar en la misma órbita, así que tal vez la marea la va destrozando de a poco en cada pasada. En los próximos meses y años habrá seguramente muchas observaciones interesantes de este raro objeto.


La imagen de la espaguetización de la nube G2 es del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, quienes hacen sus observaciones con el VLT del ESO. La de G2 sobreviviente es del grupo de Andrea Ghez en la UCLA, quienes usan el telescopio Keck. Se percibe una cierta rivalidad... La foto de Saturno es de NASA/JPL/Cassini/Ciclops.

La teoría completa de las mareas oceánicas es complicadísima, como pueden imaginar, porque además del sencillo fenómeno explicado aquí está el efecto simultáneo del Sol, las corrientes marinas, la forma de las costas y del fondo del mar, el empuje del viento, las fuerzas de Coriolis y la mar en coche...

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sábado, 15 de noviembre de 2014

Hágase la luz

La luz es la única conexión que tenemos con el universo más allá del sistema solar. La única que teníamos hasta hace muy poco con cualquier cosa más allá de la Tierra. Es la mensajera de mundos distantes y de tiempos remotos. Nos cuenta la historia del origen del universo.

La luz visible, la que vemos con nuestros ojos, es una fracción pequeñísima de toda la luz del universo. Más allá del rojo, la radiación infrarroja es también luz, sólo que nuestros ojos no la pueden ver. En una noche de verano, cuando el Sol ya se ha puesto, podemos sentirla en la palma de la mano, viniendo del suelo. Aún más allá, con una longitud de onda de algunos centímetros, hay otra luz invisible que llamamos microondas. Y luego otras más largas, del tamaño de edificios y hasta de montañas: las ondas de radio. Y aun otras, de longitudes de onda pequeñisimas: la radiación ultravioleta, los rayos X, los rayos gamma.

Aunque durante la mayor parte de la historia de la humanidad fuimos ciegos a estas luces invisibles, todas ellas son familiares en la vida cotidiana: las fabricamos y las usamos para nuestro provecho en los controles remotos, en los hornos de microondas, en las estaciones de radio... Pero no toda la luz invisible que nos rodea es artificial. Cuando escuchamos la radio, el aparato no se sintoniza en una onda de sonido (que es algo muy diferente de la luz), sino en una onda de radio (¡claro, por eso se lama radio!) producida por una estación. Y entre estación y estación, donde vive eso que llamamos estática, más o menos un 1% de ese ruido es la luz del Big Bang. Luz estirada hasta convertirla en radio, una luz emitida hace más de 13 mil millones de años. Las imágenes de los satélites COBE, WMAP y Planck, y hasta la estática en la radio, son lupas con las que vemos el inicio de nuestro universo, del tiempo, de todo.

Todo en un rayo de luz invisible, un puñado de fotones que ha cruzado el abismo del espacio para llegar hasta nosotros y revelarnos la inmensidad, la belleza y la complejidad del universo.

En 2015 se celebrará en todo el mundo el Año Internacional de la Luz. Estén atentos, que habrá muchas actividades. 


La imagen de un destello de luz circula por la web sin origen cierto. La comparación de las imágenes de la anomalía del fondo cósmico de microondas es de Le Figaro, basada en imágenes de NASA y las correspondientes misiones científicas (COBE/WMAP/Planck). El logo del año de la luz es el oficial, tal como se lo encuentra en muchas fuentes.

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