sábado, 17 de agosto de 2019

Tiene coronita

Durante el eclipse solar total hice múltiples fotos con distintos tiempos de exposición, para lograr captar el gran rango dinámico de la corona solar, esa atmósfera extensa y eléctrica que envuelve a nuestra estrella a un millón de grados, y donde nace el viento solar. Las partes más interiores (que se ven en la foto de aquí al lado), si bien son un millón de veces más tenues que el disco brillante del Sol (y por eso vemos la corona sólo durante el eclipse total), son a su vez miles de veces más brillantes que las exteriores, así que una exposición única no alcanza.

Mi plan era abarcar un factor 1024 de intensidad (10 stops, en jerga fotográfica). Programé la exposición más rápida en 1/500s a ISO100, basado en la calculadora de Xavier Jubier corregida para un eclipse tan bajo. A 10 stops de distancia, manteniendo el ISO, la foto más lenta me daba 2 segundos. Con la cámara fija y una longitud focal de 400 mm, 2 segundos era demasiado tiempo, la foto saldría movida. Pero llevando el ISO a un razonable valor de 800, la misma exposición se obtiene en 1/4 de segundo, perfectamente aceptable.

La foto que compartí en la primera nota era una exposición única, balanceada para mostrar un rango razonable de corona (1/30 a ISO 200, a mitad de camino de la secuencia). Pero la idea de abarcar un gran rango de brillo es tratar de combinar las fotos, balanceándolas de manera de poder representar tanto las partes brillantes como las oscuras, con detalles en todas. El ojo y el cerebro humanos son mucho mejores que la fotografía para apreciar imágenes de este tipo, de manera que para hacer algo similar de manera fotográfica hay que combinar exposiciones individuales. Hacerlo con 10 stops fotográficos es un poco ambicioso (usualmente se hace con 2 o 3 stops para lograr un aspecto "natural"). Después de un par de intentos poco satisfactorios en Photoshop se lo comenté a mi amigo Enzo De Bernardini, de SurAstronómico, quien me ofreció procesar mis fotos en PixInsight, un fantástico software de procesamiento de imágenes especialmente diseñado para la astrofotografía. Yo no lo domino, así que le mandé las fotos a Enzo, quien me devolvió el resultado y yo las terminé de procesar en Photoshop. Atentos:


Puse la imagen en resolución HD para que puedan descargarla y escudriñarla mejor que en esta columna. Es una belleza de corona solar. Tiene dos grandes pétalos, distintos, extendiéndose horizontalmente (en el ecuador del Sol). Cada uno de ellos se aprecia compuesto por varias partes superpuestas (hay que imaginar una estructura tridimensional). Hacia las latitudes altas, tanto al norte como al sur solares, la corona se convierte en manojos de filamentos lineales. En la parte más brillante, junto a la silueta de la Luna, podemos ver el brillo rojo de la cromósfera y sus protuberancias (las más notables están "a las 2", "a las 4" y "a las 7"). La corona, como cualquier atmósfera, es dinámica. Así que el año que viene, en el Gran Eclipse Patagónico, veremos otra estructura. Por último, puede verse la sutil iluminación de la noche lunar, la luz cenicienta que es luz del Sol doblemente reflejada: una vez en la Tierra y una segunda vez en la Luna.

Me gusta también en negativo, que permite ver mejor los detalles de la corona:


Forzando un poco los tonos podemos ver más luz cenicienta. Si nunca habías visto la luna nueva, acá tenés. Éste es el verdadero lado oscuro de la Luna:


Abajo y a la derecha se coló una estrella de magnitud 5.6, de la constelación de Géminis, que es la más brillante del campo como muestra esta carta. Está a 1 grado del borde del Sol, donde la deflexión de su luz por acción de la gravedad solar es de menos de medio segundo de arco. Ninguna otra estrella es visible en mi foto, al menos tal como la hemos procesado aquí. Si quisiéramos fotografiar estrellas más cercanas al disco solar, para verificar la Relatividad General, evidentemente hay que hacer otra cosa. Ya se verá.


En el primer párrafo de esta nota hay algo que parece violar la Segunda Ley de la Termodinámica. A ver quién se da cuenta. (NB: Había un pequeño error de texto en el primer párrafo, ya corregido, que no tiene relación con la pregunta.)

sábado, 10 de agosto de 2019

El polo de Alpha

Una más de Alpha, la película sobre la gente de la Era del Hielo. Recordemos que pintaron un arcoíris como la mona, que hicieron la Cruz del Sur visible desde una posición imposible, y que ignoraron el movimiento de las estrellas. Ahora les presento una metida de pata galáctica:


Fíjense bien porque cuesta verlo: el protagonista está pasando la noche encaramado a un árbol seco (para evitar el ataque de unos lobos) y vemos el tiempo acelerado en un time-lapse de los que últimamente se han vuelto populares. ¿Qué está mal aquí? Todo.

Primero, vemos el cielo girando alrededor del polo celeste. Debe ser el polo norte, porque la película transcurre en Europa. Imagínense mirando al Norte: a la izquierda está el Oeste y a la derecha el Este. Y vemos el cielo girando como las agujas del reloj. Es decir, el distraído fotógrafo de esta película hace girar el cielo de Oeste a Este. Sin palabras. Ya nos hemos encontrado aquí con más de un ejemplo de soles saliendo por el Oeste y poniéndose por el Este. ¿Qué pasa con los cineastas? ¡¡¡Aaaaahhhhh!!!

Segundo, vemos que el cielo no gira alrededor de Polaris, la estrella polar, sino alrededor de algún punto en la parte más gruesa de la Vía Láctea. Bien por un lado, porque como decíamos en la nota sobre Alpha y la Cruz del Sur el eje de la Tierra se ha movido a lo largo de los 20000 años transcurridos. En la época de la película el polo norte celeste no estaba en Polaris. ¡Pero tampoco estaba en el centro de la Vía Láctea! En ningún momento de todos los 26 mil años del ciclo de precesión, el polo pasa por el centro de la Vía Láctea, ni remotamente cerca. Pulgar para abajo.

Y basta de Alpha.


El videíto está tomado de Alpha, de Studio 8, Columbia Pictures y otros. Debería darles vergüenza. 

sábado, 3 de agosto de 2019

La Tabla Periódica

La UNESCO ha declarado el 2019 Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos, celebrando los 150 años de la tabla de Mendeleyev. Tengo todavía mi primera tabla, que debo haber comprado cuando tenía 13 años y que me produjo enorme fascinación:


Recientemente, preparando una charla para el ciclo de actividades que organizó el Centro Atómico Bariloche en celebración del aniversario, me sorprendió el tiempo transcurrido entre los eventos cruciales que involucran a la Tabla Periódica:

1814: Fraunhofer inventa el espectroscopio y observa líneas oscuras en el espectro del Sol y otras estrellas.
1835: Compte declara que jamás conoceremos la composición de las estrellas.
1860: Kirchoff y Bunsen descubren las leyes básicas de la espectroscopía, en particular que el espectro observado depende de la composición química de la fuente de luz. IYF, @AugusteCompteOK.
1869: Mendeleyev publica su tabla, mostrando que al ordenar los elementos químicos según peso atómico creciente sus propiedades químicas resultan periódicas.
1912: Rutherford, Geiger y Marsden descubren la estructura de los átomos (2000 años después de Demócrito).
1913: Bohr, que los visitó durante unos meses, propone por primera vez un modelo físico exitoso de los átomos (con los electrones en órbitas cuantizadas) y logra explicar el espectro del hidrógeno.
1926 en adelante: La "nueva" mecánica cuántica de Schroedinger, Heisenberg, Pauli y otros permite hacer modelos de los átomos mejores que los de Bohr: las órbitas no existen, los electrones ocupan unas nubes llamadas orbitales, se pueden calcular todos los espectros y explicar la estructura de la Tabla de Mendeleyev. ¡Éxito total, tras más de 100 años de esfuerzo y desarrollo teórico y experimental!

Los orbitales electrónicos son uno de esos detalles que desmienten la creencia muy difundida de que la física cuántica explica apenas el comportamiento del mundo microscópico. Es cierto: los átomos y los electrones son muy chiquitos. Pero la mecánica cuántica (así le decimos los físicos) explica el brillo del macroscópico tostador cuando lo prendemos cada mañana para el desayuno. Y los orbitales electrónicos explican las propiedades químicas de los elementos, las que le dan la periodicidad a la Tabla. La valencia, por ejemplo. Explica por qué el oxígeno tiene valencia -2 y el hidrógeno 1, de manera que el agua es H2O. Y el azufre, ocho lugares después del oxígeno, de nuevo -2.


Estos son los orbitales electrónicos de un átomo. Tienen distinta energía (filas) y momento angular (columnas). Son nubecitas de probabilidad, muy distintos de las órbitas "planetarias" de Bohr. Los electrones se ubican en ellos siguiendo una regla crucial*, el principio de exclusión de Pauli: no puede haber dos electrones en el mismo estado.

* Que evita que se amontonen toditos en la mínima energía, n = 1, l = 0, m = 0, el casillero de arriba a la izquierda en la figura.

Como los electrones tienen además dos valores posibles de spin (una propiedad que no tiene parangón en el mundo clásico), en cada orbital puede haber a lo sumo dos electrones, uno con cada spin. Agregando electrones se van completando orbitales, que forman capas anidadas alrededor de los núcleos. Sólo los electrones que queden en la capa más externa participan en las reacciones químicas, al ser compartidos por más de un átomo (hay toda una familia de orbitales electrónicos moleculares, equivalentes  a los atómicos). Como se ve en la figura, hay orbitales muy parecidos. Por ejemplo, si la capa externa es la de l = 0, m = 0 (la primera columna), el orbital es redondito. Todos los átomos que tengan su capa externa con 1 electrón en este orbital tendrán propiedades químicas parecidas. Los que tengan dos en este orbital serán parecidos entre ellos. Y así por el estilo.

Así que un detalle cuántico aparentemente trivial, el principio de Pauli, hace que el carbono tenga cuatro electrones disponibles para formar los grandes polímeros que permiten nuestra existencia: nuestras proteínas, grasas, hidratos de carbono y ácidos nucleicos; y también los plásticos, los combustibles, las bebidas...

Así que... a la Tabla Periódica y la mecánica cuántica, ¡salud!


El principio de exclusión vale para todas las partículas de materia, no sólo los electrones, y es lo que permite también la existencia de las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones. Las partículas de radiación (como los fotones) no lo obedecen, y es lo que permite el funcionamiento del láser que usamos para tocar DVDs, señalar el cielo o molestar al arquero.

La razón del principio de Pauli escapa a las pretensiones de este blog, pero para los curiosos diré que tiene que ver con ciertas simetrías de la función de onda. Las simetrías son lo más, en la física.

La ilustración de los orbitales atómicos es de la Wikipedia.

sábado, 27 de julio de 2019

El tanque y el quasar

Vamos a revisar un par de fotos de las sesiones que me ocuparon en enero mientras el Balseiro dormía. Para empezar ésta, con Orión, Tauro y las Pléyades cerniéndose sobre la vieja torre de agua y el edificio de la División Diseño Avanzado (cuyo revestimiento de piedra está pleno de amonites, no se lo pierdan cuando visiten el Centro Atómico Bariloche).

Procesando esta foto me di cuenta de que cerca del ángulo superior izquierdo, que se moja en la constelación del río Erídano, había un quasar (se dice cuéisar) particularmente brillante: PKS 0405-12, de magnitud 14 y redshift z = 0.57, uno de los quasars más cercanos... ¡a 5000 millones de años luz! Sus fotones no sólo son de antes de los amonites, ¡son de antes de la Tierra!

Lo busqué y lo rebusqué, estirando los tonos de la imagen de una manera que no me animo a mostrar en público. No lo encontré. Con magnitud 14, no hay duda de que a través del telescopio lo habría pescado en el Erídano. Pero con la lente gran angular no llegué más que a magnitud 11 más o menos. Lástima.

La noche siguiente volví al Centro Atómico, pero esta vez en lugar de fotografiar los edificios vacíos bajo el cielo estrellado me dediqué a los cielos profundos, haciendo algunas fotos de larga exposición con un teleobjetivo. Con 65 fotos de 15 segundos capturé esta imagen de una de mis galaxias favoritas, la Moneda de Plata en el Escultor:


El que mire con atención verá que hay más de una nebulosidad en esta imagen:


La más brillante es NGC 253, la Moneda de Plata, preciosa espiral de canto. Está a 11 millones de años luz. Los amonites ya estaban extintos. A la misma distancia (forman parte del mismo cúmulo de galaxias) está NGC 247, en la constelación de la Ballena (las ballenas sí existían hace 11 millones de años). La otra nubecita conspicua, a la izquierda de NGC 253, no es una galaxia: NGC 288 es un cúmulo globular, bien lejano pero dentro de nuestra propia galaxia. Está más o menos a la misma distancia que el centro galáctico, pero aquí estamos mirando casi exactamente hacia el polo sur de la Vía Láctea. Otras dos galaxias que marqué, en cambio, sí son lejanas: NGC 177 y 172, también espirales de lado, de magnitudes 14 y 15 (como el fallido quasar de Erídano).

La sorpresa fue que nuevamente, casi en el borde, había un quasar de regalo: Q0043-2923, de magnitud 15 y redshift 0.9, ¡10 mil millones de años luz! ¿Lo querés en kilómetros? Son

95 000 000 000 000 000 000 000 km

Tremendo. Hice un recorte, porque achicado no se debe ver nada:


Los quasars son galaxias, o mejor dicho, son los núcleos muy activos de algunas galaxias, como el de M87 donde está el famoso agujero negro. Sólo que el inmenso chorro de materia y energía apunta directamente hacia nosotros, y por eso logramos verlos a través de abismos de espacio y tiempo. Los vemos como estrellas: eso significa quasar, quasi stellar radio source, si bien el Telescopio Espacial Hubble logra discernir en algunos casos la (mucho más tenue) galaxia que los aloja.

Mi alegría no duró mucho, ya que revisando la información sobre Q0043-2923 me encontré con que Gaia había medido su paralaje: 0.7 milisegundos de arco, que son 4 mil y pico años luz. ¡No era un quasar! Así lo cita Simbad: "Misclassified QSO in some references". Convencido de que también Gaia se puede equivocar (las clasificaciones se hacen automáticamente hoy en día) traté de encontrar un espectro, que delataría si se trata de una estrella o un quasar. El recentísimo Million Quasars Catalogue, Version 6.2 (22 May 2019), que usa abundantes datos de Gaia, todavía lo cita como quasar cierto, con "espectro de líneas anchas dominado por el núcleo". La referencia que dan de su redshift es una tesis de 1987, pero no encuentro los espectros.

Me queda alguna esperanza. ¿Será o no será? 
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