sábado, 29 de octubre de 2011

Espectroscopio

El instrumento favorito del astrónomo es el telescopio. Y el segundo favorito es el espectroscopio. ¿Qué es un espectroscopio? ¡Un aparato para visualizar espectros! A no asustarse: un espectro no es un fantasma. Es un arco iris. Como sabe cualquiera que haya jugado con un prisma, la luz blanca está formada por una mezcla de colores. Algunos fenómenos naturales, como el arco iris, separan los colores. Cada color corresponde a una longitud de onda, ya que la luz es una onda, una onda electromagnética. Esto se vuelve cada vez más complicado, pero el que no se asustó con los espectros puede seguir adelante, ya que lo que sigue es muy entretenido.

Gracias al espectroscopio los astrónomos saben de qué están hechas las estrellas, a qué temperatura se encuentran, a qué velocidad se mueven, si tienen campos magnéticos, si tienen planetas a su alrededor... Los espectroscopios a bordo de los robots espaciales han develado la composición del suelo y del aire de los mundos de nuestro sistema solar, y algún día nos permitirán saber si algún planeta lejano en órbita alrededor de otra estrella alberga vida alienígena. ¿Cómo es posible saber todo esto de lejos, sin analizar muestras en el laboratorio? Distintos fenómenos físicos producen ondas de distintas longitudes de onda y de distintas intensidades. Y ahí es donde entra el espectroscopio: si queremos analizar y comprender esos fenómenos, necesitamos separar los colores para analizarlos por separado. Y es increíblemente fácil hacer un espectroscopio casero para ver cómo funciona e imaginar su enorme potencial como instrumento científico.

El espectroscopio fue inventado hace casi 200 años por un óptico genial, autodidacta, llamado Joseph Fraunhofer. En general la separación de colores se logra no con un prisma sino con una red de difracción (también inventada por Fraunhofer). Una red de difracción es un plástico o vidrio con muchísimas rayitas grabadas, miles de líneas por milímetro. Al pasar por las rayitas se produce la difracción de la luz, un fenómeno por el cual una parte de la luz pasa derecho, y  una parte se desvía para un lado. El ángulo que se desvía la luz depende del color: el azul se desvía poquito, el verde un poco más, el rojo más todavía. Así que al pasar luz blanca se descompone en los colores que la forman. ¿De dónde sacamos una red de difracción para hacer un espectroscopio casero?

De un CD. En un CD la información está grabada en un surco espiralado muy apretado, en el que cada vuelta pasa a apenas un micrón de la siguiente. Por eso el lado brillante de un CD se ve con los colores del arco iris: funciona como una red de difracción. Podemos usarlo así, directamente, como una red de reflexión. O podemos "depilarle" la etiqueta de aluminio con ayuda de una cinta adhesiva, y usar el plástico (que conserva las rayitas marcadas) como una red de transmisión. Es muy sencillo.

En el Instituto Balseiro hemos hecho un video mostrando cómo hacerlo y cómo usarlo, y más vale verlo que contarlo. Además comentamos los distintos tipos de espectros, y cuál es la clave para la utilidad del espectroscopio. Tal vez otro día cuente más detalles. Aquí está el video.



También preparé una colección de fotos mostrando la construcción. La última foto de esa colección es interesante, ya que muestra la comparación de dos espectros de una lámpara de bajo consumo, uno obtenido con un espectroscopio de laboratorio de miles de dólares, y el otro con el espectroscopio casero. La comparación es asombrosamente buena. Observen que el espectro en general se representa no como un arco iris de colores sino como una curva con picos. Esa curva se obtiene escaneando el arco iris a lo largo, y midiendo la intensidad de luz de cada color. Los espectroscopios de laboratorio modernos producen directamente esa salida. Con el espectroscopio casero podemos obtenerla procesando una foto obtenida con una cámara común con el programa gratis Visual Spec, especialmente preparado para su uso en la comunidad de astrónomos aficionados.

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sábado, 22 de octubre de 2011

Ciencia que ladra...

¡Viaje a las Estrellas opcional con La Nación (hoy, sábado 22 de octubre)!


Ciencia que ladra... es la imperdible colección de divulgación científica publicada por Siglo XXI. La dirige Diego Golombeck, excelente científico y comunicador, y los autores son (somos) científicos que creen (creemos) que es hora de contar lo que sabemos y lo que hacemos. El año pasado tuve el placer de que Ciencia que ladra publicara mi libro Viaje a las Estrellas, que cuenta la historia de la medición del tamaño del universo, una historia de peripecias que recorre más de dos mil años de descubrimientos astronómicos, algunos casuales y otros fruto de trabajo duro, revoluciones científicas y tecnológicas, y mucho más.

El diario La Nación de Buenos Aires está publicando los libros de Ciencia que ladra y hoy, sábado 22 de octubre, estará en todos los kioscos Viaje a las Estrellas. ¡El que no lo tenga todavía, que corra a comprarlo!

Por otro lado, si bien es ya difícil encontrarlo en una librería, el libro no está agotado en la editorial, así que pueden pedírselo al librero, o comprarlo on line en Cúspide, en Tematika o directamente en Siglo XXI.

Además... ¿Escribiste tu propio libro de divulgación científica y no sabés cómo publicarlo? ¡Siglo XXI y La Nación han organizado un concurso! Será el PREMIO INTERNACIONAL CIENCIA QUE LADRA – LA NACIÓN. En el link están las bases. Es una excelente oportunidad, ya que existen muy pocos concursos de este tipo en nuestra lengua. Lástima que mi segundo libro no llegue a tiempo para presentarlo...

Por último... La semana que viene estaré en el 2o Encuentro Argentino de Jóvenes Astrónomos. Para mí es un honor y un misterio que me inviten a estos encuentros. Debe ser por joven.

El sábado que viene, un post más... post.

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sábado, 15 de octubre de 2011

De la Tierra a la Luna

¿A qué distancia de la Tierra está la Luna? Muchísima gente no tiene una idea cabal de esta distancia, no ya del valor en kilómetros sino, digamos, en comparación con el tamaño de nuestro planeta. Hágase el siguiente experimento.

Una pelota de fútbol y una pelota de tenis guardan entre sí más o menos la misma relación de tamaños que la Tierra y la Luna. Si se le explica esto a cualquier persona, y se le pide que las ponga más o menos separadas como se encuentran la verdadera Tierra y la verdadera Luna, la mayor parte de la gente las pondrá más o menos como las tengo en esta foto. Casi todos los niños pequeños, por ejemplo, las pondrán así, pero también un sorprendente número de adultos educados. ¿Está bien?

¡No! ¡Es demasiado cerca! Un grupo pequeño de gente, adultos educados y razonadores, y también algunos de los que pusieron la Luna muy cerca y les dijimos que "Mmmm... es más lejos...", las pondrán así. ¿Y ahora? ¡Todavía muy cerca!

La verdad que, a esa escala, ¡hay que poner la pelota de tenis a 7 metros de la pelota de fútbol para que estén a la distancia correcta! ¿No es impresionante? Cuando se le da la pelota de tenis a un chico y se le dice: "Más atrás, más atrás, más, más atrás..." no lo pueden creer. Pero es así. La pelota de fútbol mide 23 cm de diámetro, que representan los 12700 km de la Tierra. Así que los 384000 km hasta la Luna son (regla de tres simple) 384000/12700×23 cm, o sea siete metros. El universo es muy grande, y está casi todo vacío... En la misma escala, el Sol sería del tamaño del estadio de River, ubicado a varios kilómetros ahí atrás, en dirección al Cerro Catedral...

Este "modelo" del sistema Tierra-Luna usando pelotas es muy ilustrativo, y está al alcance de todo el mundo. Vale la pena tenerlo presente. Yo lo descubrí de una manera sorprendente: en un sitio que leo habitualmente estaba señalado un video sobre el tema hecho por unos pibes geniales, que tienen un sitio de divulgación llamado Veritasium.

El video comienza con una selección de fotos tomadas de la web, mostrando la Tierra y la Luna muy cerca, mientras uno de los chicos dice que son representaciones habituales pero incorrectas. ¡Casi me caigo sentado cuando en medio de esas imágenes vi una imagen mía! Es una de las imágenes hechas con Celestia que están en mi galería (reproducida aquí a la derecha). Hay que decir que no es una representación incorrecta.

De hecho, puede verse a la Luna cerca de la Tierra con la perspectiva adecuada, hasta superpuesta a la Tierra, tal como en esta foto tomada por el robot EPOXI hace unos años. Pero es cierto que puede resultar engañoso, así que puse una aclaración en el epígrafe de mi imagen. También les escribí a los chicos de Veritasium, que son muy simpáticos. Me dijeron que simplemente hicieron una búsqueda de "images moon earth" en Google y la mía apareció entre las primeras. Guau. Aquí abajo está el video, véanlo.


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sábado, 8 de octubre de 2011

Saturno en la estacada

La erupción del Cordón Caulle ya lleva cuatro meses, sin menguar en los últimos dos, y nos mantiene metidos en una nube de ceniza fina casi permanentemente. Esta nube, más la ceniza acumulada que vuela tan fácilmente, me han obligado a mantener el telescopio a buen resguardo durante todo el invierno, y parece que va a seguir así algún tiempo más.

Mis últimas observaciones astronómicas fueron el 29 de mayo, seis días antes de la erupción. Tenía casi flamante mi nueva cámara réflex, una Canon Rebel T1i que había comprado en abril. ¡Casi no he podido usarla! Como la cámara captura video en alta definición ese fin de semana hice una prueba de registrar a Saturno en el plano focal del telescopio. Es una técnica para la cual se usa generalmente una webcam sin lente. Pero nunca conseguí una webcam razonable, así que decidí probar con la Canon. El resultado fue bastante bueno, para ser una primera vez. Aquí está el Señor de los Anillos. ¡No está mal! El planeta se encontraba a 1300 millones de kilómetros de nosotros, y su disco apenas subtendía 18". La escala en la imagen da 0,28 segundos por píxel. La Luna, para comparar, mide 1800 segundos de ancho, cien veces más grande. Pas mal.

En la imagen se ve perfectamente que el anillo tiene una parte interna más ancha y brillante (el anillo B), separada de una externa menos brillante (anillo A) por una brecha (la división de Cassini). El sistema de anillos se encontraba inclinado apenas 7° hacia nosotros, ya que hace poco el planeta gigante hizo su famoso truco de desaparición del anillo poniéndolo justo de canto hacia nosotros durante el equinoccio, que ocurre una vez cada 15 años. Cuando volvamos a ver a Saturno en el cielo nocturno a principios de 2012 estará todavía más inclinado, y su estructura se verá mejor. También se ven las curiosas sombras que sólo Saturno tiene, y que le dan una "tridimensionalidad" de la que otros planetas carecen: la sombra del anillo en el planeta (una delgada línea oscura), y la sombra del planeta en el anillo (atrás a la izquierda). Como en Júpiter, la atmósfera de Saturno suele mostrar bandas oscuras y zonas claras, que corresponden a sistemas de nubes de distinta temperatura y composición.

Y justo al norte de la banda rojiza que recorre las latitudes medias ¿qué se ve? ¡Es la famosa tormenta Serpiente, de la que hemos hablado tanto en este blog! Acá hay una versión super-procesada de la misma imagen, tratando de rescatar detalles de la tormenta. Sin mucho éxito, debo decir; son apenas esos "globos" blancuzcos justo encima de la franja rojiza. Pero me gusta la imagen, fue muy emocionante poder observar este raro fenómeno con mis propios ojos, y además poder fotografiarlo. En fotos de mejor resolución tomadas el mismo día se ve que el punto más brillante de mi foto (el "globo" central) efectivamente es el punto más brillante de la tormenta (ver link a foto de Brian Combs más abajo).

La técnica para fotografiar planetas con una cámara de video es sorprendente. Se empieza capturando unos pocos minutos de video del objeto, lo que da algunos miles de fotogramas (5000 en este caso). Cuando uno ve el video no puede creer que se pueda sacar algo bueno de eso. Éste es un fotograma típico. A continuación se procesa el video con un software llamado Registax. Esta maravilla del procesamiento automático de imágenes analiza el video, identifica la imagen de cada fotograma y las alinea todas (porque la imagen del planeta baila de lo lindo, entre la turbulencia de la atmósfera y la deriva del sistema de guiado del telescopio). Después revisa cada imagen y las ordena según su calidad, ya que hay fotogramas razonables mientras que otros son muy borrosos. Es un fenómeno que conocen todos los aficionados a la observación planetaria: la fluctuante atmósfera de golpe se calma y la visibiliad aumenta enormemente, si bien de manera fugaz. Uno aprende a mirar fijo un planeta, para aprovechar esos raros momentos en que la imagen parece congelarse y se ven detalles sorprendentes.

En todo caso, Registax hace esto automáticamente, elige las mejores imágenes (en este caso 800 de las 5000), y las promedia. Esto se llama stacking en inglés, o sea "apilado" (y de ahí el título de la nota, en espánglish, pobre Saturno no salió muy bien parado). El promediado mejora drásticamente la calidad de la imagen. La idea es que todo el ruido de la imagen es aleatorio de fotograma a fotograma, y al promediarlo se reduce tanto cuanto mayor sea la cantidad de fotogramas promediados. Por otro lado, las partes "verdaderas" de la imagen, la señal, tiende a estar presente en todos los fotogramas y al promediarlos se refuerza. De esta manera se mejora la relación señal/ruido, que caracteriza la calidad de la foto. Aún con toda la teoría detrás, el resultado parece magia. Vale la pena intentarlo. Además es algo que se puede hacer desde una gran ciudad, ya que sólo sirve para objetos brillantes como los planetas o la Luna. Yo soy un principiante, pero hay aficionados obteniendo imágenes planetarias que ni los grandes observatorios podían conseguir hace pocas décadas. Vean por ejemplo las de Christopher Go, de Filipinas, o las de Brian Combs. Genios totales. No se pierdan las películas de planetas rotando de Brian. Brian también fotografió Saturno el 29 de mayo, con un telescopio de 14 pulgadas (mi Meade tiene 8" de apertura), desde un lugar llamado Buena Vista. ¡Qué vivo, con la turbulencia que hay siempre en Bariloche no puedo competir con Buena Vista!

Un párrafo aparte merece la foto que ganó el concurso Astronomy Photographer of the Year este año. Es simplemente extraordinaria. Obra de Damian Peach, del Reino Unido, muestra el planeta Júpiter como se lo ha visto sólo desde las sondas espaciales, con detalles de la superficie de Io y de Ganímedes que dejan la boca abierta (el punto brillante de Ganímedes, creo, es el cráter Osiris, y la mancha oscura es la región Galileo). Ésta es una versión de baja resolución. La galería de Damian no tiene desperdicio, vayan y felicítenlo.

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sábado, 1 de octubre de 2011

Arrolla la sed

Parece mentira, pero hay gente que no "cree" en la mecánica cuántica. Fui abordado por uno de ellos en un parque de Porto Alegre hace poco, un fulano que me preguntó mi "opinión" (!) sobre la mecánica cuántica. Voy a decirlo de una vez por todas, porque en este blog no nos callamos nada. Si quieren saber mi opinión sobre la mecánica cuántica, estoy a favor.

Chistes aparte, forma parte del relativismo cultural que se vive desde hace un tiempo la idea de que las teorías científicas son "opiniones" de los científicos. Tal vez contribuye el hecho de que la palabra "teoría" tiene un significado mucho más vago en el lenguaje cotidiano. "Yo tengo la teoría de que la Selección tendría que jugar con más delanteros", dice un tipo después de ver el partido con Brasil el miércoles pasado. Una teoría científica no es eso, pero es un tema un poco aburrido para tratarlo de manera abstracta. Es mucho mejor señalar algunos fenómenos típicamente cuánticos, fenómenos que no podrían existir si la mecánica cuántica no fuera verdadera. La vida cotidiana moderna tiene varios ejemplos: la electrónica basada en semiconductores que hace funcionar todo hoy en día, el láser que se usa en tantos dispositivos (además de molestar a los arqueros antes del tiro libre). Y la familiar fluorescencia, que también es un típico fenómeno cuántico de la vida moderna.

La fluorescencia, demás está decir, es lo que hace funcionar las lámparas ídem. Hay también una fluorescencia inesperada que está ilustrada en la foto de aquí al lado. ¡El agua tónica es fluorescente! Aquí se ven un par de vasos, el de la izquierda con Paso de los Toros y el de la derecha con agua. Arriba están iluminados por una luz negra y abajo por una luz normal. El ultravioleta de la luz negra hace brillar por fluorescencia la quinina, que es el ingrediente amargo del agua tónica. No dejen de hacerlo en casa, el efecto es más hermoso que lo que la foto muestra. La fluorescencia de la quinina es un efecto inesperado y secundario con respecto a su principal uso como tratamiento de la malaria. Los ingleses popularizaron su uso en la India, y acabaron mezclándola con soda para hacer agua tónica, y con un toque de gin extra para hacer gin tonic. La quinina es un producto natural cuya única fuente conocida es cierto árbol del Perú, y cuando se descubrieron sus propiedades medicinales se convirtió en el principal tratamiento de la malaria desde el siglo XVII al XX. La cantidad que hay en el agua tónica es muy pequeña, pero aparentemente la quinina pura se ve fluorescer a plena luz del sol. Todavía no encontré dónde comprar quinina pura para probar el efecto (¡y hacer mi propia agua tónica!).

La fluorescencia es también la causa de hermosos fenómenos astronómicos, como el ejemplo de aquí al lado. Se trata de la Nebulosa Laguna (número 8 en el catálogo del señor Messier). Es una de las joyitas del cielo cercano al centro de la Vía Láctea, que se cierne casi en el cenit desde nuestras latitudes en esta época del año. La región que va desde la cola del Escorpión hasta el asa de la Tetera de Sagitario explota de estrellas, cúmulos y nebulosas que hasta el principiante más ingenuo, dotado del intrumento más sencillo, puede disfrutar. La Nebulosa de la Laguna es una gran nube de gas y polvo interestelar, de unos 50 años luz de diámetro y a unos 5000 años luz de nosotros, casi exactamente en la dirección del centro de la Galaxia. En esta foto se la ve con el característico color rosado de las regiones de gran actividad de formación estelar. Ese color es el resultado de la intensa radiación ultravioleta de las estrellas jóvenes. El ultravioleta interactúa con el hidrógeno de la nube y lo hace brillar por fluorescencia con un rojo purísimo de 656 nanómetros de longitud de onda. El mecanismo es así: el ultravioleta ioniza los átomos de hidrógeno, es decir les arranca un electrón, que normalmente vive su vida tranquilo en el nivel energético más bajo de su átomo. El electrón supercargado rápidamente se vuelve a ligar a un protón (núcleo del hidrógeno) y va "cayendo" por los sucesivos niveles de energía del átomo que, como explica la mecánica cuántica, son discretos. En cada una de estas caídas pierde un cachito de energía en forma de un fotón de luz, siempre de los mismos colores. En los cursos de cuántica elemental (inclusive cuando uno aprende la física del átomo en la escuela secundaria) se llama serie de Balmer a esta secuencia de transiciones del átomo de hidrógeno. El anteúltimo salto, del nivel 3 al 2, produce el fotón rojo característico, llamado H-α.


La fluorescencia era uno de los temas favoritos del gran Enrique Gaviola en sus años jóvenes, tema en el que hizo contribuciones significativas cuando la mecánica cuántica estaba en formación. Ya prometí hablar más de Gaviola, y ahora lo vuelvo a prometer. Las fotos son mías mías mías, pero si las quieren usar pueden hacerlo, mencionando su origen y avisándome. Gracias.

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