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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sábado, 8 de noviembre de 2014

Eta de Carina

Alfa, beta, gamma, delta, épsilon, dseta, eta. Eta es la séptima letra del alfabeto griego. Es decir que, de acuerdo al sistema inventado por Johann Bayer en el siglo XVII para su catálogo Uranometria, Eta Carinae debería ser la séptima estrella más brillante de su constelación.

La cosa no es tan sencilla. En los siglos transcurridos los astrónomos rediseñaron algunas constelaciones: cambiaron de forma, desaparecieron, aparecieron nuevas... Y hay estrellas que, simplemente, cambiaron de brillo. A Eta Carinae le pasó todo esto. Durante siglos fue la séptima estrella de una enorme constelación en forma de barco, la Nave Argos, que en el siglo XVIII fue subdividida en las Velas, la Popa, la Brújula y Carina, la Quilla. Cuando dividieron la Nave, ¡las estrellas conservaron la letra pero cambiaron de constelación! Así la estrella más brillante, Alfa, pasó a ser Alfa Carinae (Canopus, la segunda estrella más brillante del cielo). La segunda también quedó en Carina: es Beta Carinae, con el bonito nombre propio de Miaplácidus. ¡Pero no hay Gamma Carinae! La tercera estrella de la Nave quedó en las Velas, y hoy es Gamma Velorum (Regor, una de las estrellas del Apollo, que ya apareció por acá).

Eta quedó en Carina. Pero quedó muy confundida. Hoy en día no sólo Alfa, Beta y Épsilon, sino también Theta y Iota la superan en brillo. Y varias estrellas variables la superan cuando llegan a su máximo. Pero Eta se ríe de janeiro, porque tiene un pasado glorioso y un futuro más que prometedor.

En 1843 Eta Carinae, que había aumentado de brillo lentamente a lo largo de varias décadas, se volvió de golpe la segunda estrella más brillante del cielo, superada sólo por Sirio. Para ser una estrella que está a 7500 años luz de nosotros, mientras que Sirio está a menos de 10, no está nada mal. El exabrupto duró dos décadas, y luego Eta se apagó hasta hacerse muy muy tenue. Tuvo un segundo episodio en 1890, mucho menos notable, y luego un período de varias décadas de tranquilidad. Desde mediados del siglo XX viene aumentando de brillo nuevamente, y ya ha alcanzado una magnitud que permite verla a simple vista desde un sitio oscuro. La figura muestra la evolución del brillo en los últimos dos siglos, con algunas imperfecciones justamente antes de la erupción. Después, naturalmente, no le han perdido rastro.

La Gran Erupción de Eta Carinae en 1843 fue un evento extraordinario, de los que se conocen apenas un puñado en todo el universo. Durante la explosión la estrella expulsó una enorme cantidad de materia, equivalente a 20 soles o más, que todavía se encuentra en expansión. Son lo que hoy conocemos como el Homúnculo, el Homúnculo de Gaviola que ya he comentado. Había prometido explicar qué es el Homúnculo, y lo iré haciendo de a poco. Por ahora, baste decir que fue el resultado de la explosión descomunal que sufrió la estrella Eta Carinae en 1843.

¿Cómo lo sabemos? Aunque nadie lo fotografió durante casi un siglo, podemos reconstruir su historia. Usando un espectroscopio puede medirse la velocidad a la cual el Homúnculo se está expandiendo. El primero en hacerlo fue nuestro Enrique Gaviola. Resultó que los lóbulos de la nebulosa se alejan del centro a 600 km/s. ¡Seicientos kilómetros por segundo! ¡Son más de dos millones de kilómetros por hora! Midiendo la distancia a la estrella, es posible calcular que en 1843 todo el material estaba en el centro.

Eta Carinae quedó dentro del Homúnculo, que es muy denso y obstruye en gran medida su luz. Por eso tras la explosión la estrella se volvió casi invisible. Se cree que el segundo evento, el de 1890, que en la curva de luz parece mucho menor al de 1843, fue similar a aquél. Pero por haber ocurrido dentro no se lo vio tan brillante. En años recientes se ha descubierto un mini-homúnculo dentro del Homúnculo, que parece ser el resultado de la segunda erupción.

El Homúnculo es extraordinario, y pronto contaré más cosas sobre su naturaleza. Mientras tanto, no dejen de observarlo. Desde nuestras latitudes Eta Carinae se puede ver en cualquier época del año y a cualquier hora de la noche. Está bastante bajita en el horizonte sur en estos días, pero a lo largo de las semanas estará cada vez más alta.

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sábado, 1 de noviembre de 2014

Elemental, querido Watson

Miramos al cielo, miramos a nuestro alrededor. ¿Qué vemos? El mundo material está hecho de los mismos elementos: los 92 de la tabla periódica. Nosotros, el resto de los animales, las plantas, los minerales, los planetas, las estrellas. Sabemos sus propiedades físicas y químicas. Sabemos de dónde vienen. Sabemos muchísimo sobre ellos. Y sabemos cuánto hay de cada uno. Cuando miramos la bóveda celeste, la Vía Láctea, las estrellas, los planetas, las nebulosas, ¿qué elementos estamos viendo?

Hidrógeno. El hidrógeno está por todos lados. Está aquí desde el origen del universo. Las estrellas infatigablemente lo usan como combustible desde hace 13 mil millones de años, pero hay tanto que todavía abunda. Las tres cuartas partes de la masa de las estrellas y de los planetas gigantes como Júpiter y Saturno son hidrógeno. Cuando la luz de las estrellas lo excita, brilla con el encantador color rojo tan familiar de las fotos astronómicas. Cuando vean fotos astronómicas sin rojo (como los famosos "Pilares de la Creación", del Telescopio Hubble), pueden estar seguros de que los colores no son naturales. ¿Dónde no hay hidrógeno? En pocos lugares: la Luna, por ejemplo, no tiene casi nada. La sal de cocina bien sequita tampoco.

El segundo elemento más abundante es el helio. Sirve para inflar globos y hablar finito, pero no para mucho más. Sólo para ocupar espacio. Y bastante espacio: en una estrella, de la cuarta parte que no es hidrógeno casi todo es helio. Afortunadamente tiene la gentileza de inmolarse convirtiéndose en cosas más útiles, como oxígeno y carbono.

En tercer lugar, el archiconocido oxígeno. Es inmensamente promiscuo y se combina con casi todos los demás elementos. A punto tal que no podemos mirar algo sin ver oxígeno. La Luna, por ejemplo, o Marte: la mitad de sus superficies son de oxígeno. Nuestro cuerpo, por cierto, tiene muchísimo oxígeno. En gran medida formando tercera parte de la substancia más abundante del cosmos: el agua. Hay agua por todos lados: hay vapor de agua en el espacio interestelar y hasta flotando por encima del Sol; hay agua sólida en los incontables cometas más allá de Neptuno, en los anillos de Saturno y en muchos de los satélites de Júpiter y Saturno. En la Tierra, por supuesto, hay abundante agua líquida en la superficie. Y sólida, como la que viene cayendo sobre Bariloche en esta rara primavera. Y gaseosa: el principal gas de invernadero de nuestra atmósfera es el agua, aunque toda la mala prensa se la lleva el dióxido de carbono.

Y hablando del carbono, el carbono ocupa el cuarto lugar. El universo está lleno de carbono. Bueno, no: está lleno de hidrógeno y helio. El oxígeno, el carbono y los demás son apenas una pizca. Pero de la pizca, el carbono forma una buena parte. El carbono es genial: le encanta combinarse con otros carbonos y otros elementos, y formar moléculas enormes. ¡Enormes! Proteínas con decenas de miles de átomos. ¡Polímeros como el ADN, con miles de millones de átomos! Qué sería de nosotros sin el carbono. Polvo, nada más.

En quinto lugar está el nitrógeno. Casi todo lo que respiramos es nitrógeno: es el 78% de nuestra atmósfera. Más el oxígeno, que ocupa un 21%, nos da 99%. ¿Qué es el 1% restante, eh? ¿Cuál es el tercer alemento más abundante de nuestra atmósfera?

Más de uno estará tentado de decir que es el dióxido de carbono, el CO2 de triste fama. Pues no, a pesar de su tenebroso rol en el cambio climático, el CO2 es poquitísimo en el volumen de la atmósfera. Ese 1% es casi todo argón, el sexto elemento del cosmos. El raro argón no era tan raro después de todo. Es el gas que hay adentro de las lamparitas incandescentes (explicarle a los niños qué eran las lamparitas incandescentes).

El resto, los otros 86 elementos de la tabla periódica, son casi nada en el universo. No para nosotros, naturalmente: el cloro, el sodio y el potasio que permiten funcionar el sistema nervioso; el sílice, el aluminio y el magnesio que constituyen el suelo mismo del planeta; los demás metales, de los que tan crucialmente depende nuestra civilización. Mirando al cielo los vemos apenas en las superficies de los planetas rocosos. Una nada en la inmensidad del cosmos.

Y aún así, esos 92 elementos, del hidrógeno al uranio, son apenas una parte de la materia que vemos cuando miramos a nuestro alrededor. Cinco o seis veces más existen en formas que aún no detectamos: probablemente partículas elementales, quizás átomos extrañísimos, constituyendo la conjetural materia oscura, de la cual tenemos apenas evidencia indirecta. ¿Qué será? Hay muchos experimentos tratando de detectar su elusiva substancia. ¡Qué intriga!


La foto del Sol es del Solar Dynamics Observatory. La puesta de Sol sobre Sudamérica fue tomada por la tripulación 27 de la Estación Espacial Internacional.

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