sábado, 24 de noviembre de 2018

El ABC del arcoíris

Todavía recuerdo muchos detalles de La Guerra del Fuego, aunque la vi hace más de 35 años. Así que cuando vi el anuncio de Alpha, una nueva película sobre el mundo humano hace 20 mil años, no me la iba a perder. Me gustó bastante poco. Entre las cosas que contribuyeron a que no me gustara se cuentan varios errores "científicos" elementales. Me ocuparé de los astronómicos en otro momento. Hoy mostraré esto, que me parece increible que se le pase a un cineasta o un director de fotografía, gente supuestamente entrenada en la observación cuidadosa. Es un arcoíris en una toma que podría haber sido muy linda:


¿Qué está mal en este arcoíris? Prácticamente todo. ¿El tipo que lo pintó nunca vio un arcoíris? Dejemos de lado que el fenómeno sólo se observa en la dirección opuesta al Sol. Es decir, los cazadores deberían estar iluminados. Supongamos que algo les hace sombra justo justo a ellos, en fin. ¿Qué más? ¡El segundo arcoíris está al revés! El arco externo debería tener los colores inversos al interno: rojo adentro, violeta afuera. Cualquiera que haya visto un arcoíris lo sabe. O si no, basta googlear "arcoíris" y hay millones de fotos. Pongamos una mía de una cascada:


Hay otra cosa: en un verdadero arcoíris el interior del arco interno es mucho más brillante que el exterior. De hecho, la zona más oscura es la franja entre los dos arcos, llamada banda de Alejandro, por un filósofo griego que la describió hace 18 siglos. El cineasta se ve que no leyó los clásicos. Ni miró nunca un arcoíris. Ni lo googleó. En fin, he aquí otro lindo de los míos, un arco inmenso, de los que sólo se ven cuando el Sol está muy cerca del horizonte. ¿Qué más se ve?


Se ve que en el borde interno del arco interior hay varios arquitos pegados, que repiten los colores. En éste se ven mejor estos arcos supernumerarios:


Insisto: estas cosas son elementales. No son rocket science. Lo puede ver cualquiera que mira un arcoíris. Si no podés fotografiarlo y querés pintarlo, pintalo bien.

Estoy seguro de que mis lectores conocen bien los arcoíris. Pero voy a terminar contando algo que no muchos saben: ¡la luz de los arcoíris está polarizada! Podemos verificarlo con un par de anteojos polarizados, así.

En el blog hay más notas de cineastas haraganes: los que hacen salir el Sol al revés, o pintan reflejos al revés, o dejan la luna quieta en el cielo noche tras noche. Uf.

sábado, 17 de noviembre de 2018

Bend it like Newton

Esto va a sorprender a más de uno (no a los alumnos del curso de Mecánica clásica, porque lo tomamos en el primer Parcial este cuatrimestre). Suele creerse que la desviación de la luz por acción de la gravedad (como en las lentes gravitacionales que mostré recientemente) es un fenómeno característico de la Relatividad General. Es, después de todo, el que consagró la fama mundial de Einstein cuando fue verificado por Eddington en el eclipse de 1919. Pero no: la gravedad newtoniana también predice una desviación de la luz.

Chan.

Fíjense un poco, no es tan extraño: la aceleración que sufre un objeto por acción de la gravedad no depende de la masa del objeto, sino solamente de la masa del cuerpo que produce el campo gravitatorio. Lo descubrió Galileo hace 400 años: las piedras pesadas caen al mismo tiempo que las livianas. Asi que el hecho de que las partículas de luz, los fotones, no tengan masa en reposo, es irrelevante. De hecho, cuando uno hace el cálculo (ver aquí al lado) la masa desaparece casi mágicamente, y sólo queda la deflexión, como la sonrisa del gato de Cheshire. Resulta la mitad que en la Relatividad General: para el caso de un rayo rasante a la superficie del Sol da 0.87".

Curiosamente, el propio Newton debe haberlo sabido. En las Queries, que concluyen su tratado de Óptica, dice:

Query 1. ¿Acaso los cuerpos no actúan sobre la luz, y por su acción desvían sus rayos; y no es esta acción (si el resto es igual) más intensa a la mínima distancia?

Nótese el negativo: Newton no se está preguntando si ocurre o no; da toda la impresión de ser una pregunta retórica, como que el tipo sabe la respuesta. ¿Lo calculó? No lo sabemos. "I was interrupted", dice. No se conserva ningún cálculo publicado, o manuscrito, o referencia al respecto. El que sí lo calculó y lo publicó fue el astrónomo alemán Johann von Soldner, en 1801. Estaba interesado en saber si la atracción de la Tierra afectaría las observaciones astronómicas, como la refracción en la atmósfera. Le dio un valor tan imperceptible que se podía ignorar. Pero, ya que estaba, lo calculó para un rayo rasante al Sol, y le dio 0.84", muy bien. No revisé el cálculo, pero debe ser parecido al que hice yo y que puse ahí arriba.


Poco más de un siglo más tarde, en 1911, Einstein lo calculó nuevamente en el contexto de la Relatividad Especial (no menciona a von Soldner). Esto fue antes de la Relatividad General, y le dio 0.87". Una expedición germano-americana intentó verificarlo en 1914 durante un eclipse de Sol en Crimea. Pero se desató la Primera Guerra Mundial y el astrónomo alemán fue detenido. El americano no (Estados Unidos todavía era neutral), pero igual se nubló. Doble fracaso. Menos mal, porque les hubiera dado el doble de lo que predecía Einstein. ¡Qué habría sido de la Relatividad General! En 1915 Einstein completó la teoría y encontró que la deflexión era exactamente el doble debido al efecto adicional de la curvatura del espacio-tiempo, que por supuesto no existe en la gravitación newtoniana. Y finalmente en mayo de 1919 Eddington y colegas observaron el famoso eclipse desde África y Brasil que consagró la validez de la Relatividad General. En su reporte de los resultados, Eddington de hecho menciona que podía encontrarse con "deflexión nula", "media deflexión" (newtoniana) o "deflexión entera" (einsteniana).

Al acercarse el centenario del histórico experimento crucial, seguramente volveremos a ocuparnos de la expedición de Eddington y su verificación de la Relatividad General.


El título, por supuesto, hace referencia a la excelente película Bend it like Beckham. ¿Cómo que no la viste?

El gif de la lente gravitacional del principio lo hice usando un videíto de la ESA.

sábado, 10 de noviembre de 2018

Photobombing en el supercúmulo

La semana pasada mostré preciosos arcos luminosos en el cúmulo de galaxias Abell 370, que son imágenes elongadas de galaxias más lejanas, distorsionadas por el efecto de lente gravitacional. En el campo paralelo de Abell 370, fotografiado como comparación en el programa Frontier Fields, no se veían arcos. Pero en realidad el campo paralelo se ve así:


¡Epa! ¿Hay lente gravitacional en el campo paralelo? No, no. Si se fijan bien estos arcos son distintos que las galaxias distorsionadas como el Dragón. Son bien brillantes, regulares y no son concéntricos. En la imagen de Abell 370 también aparecen, pero los astrónomos los remueven para no confundir:


¡Son asteroides que se colaron en la foto! Resulta que Abell 370, en la constelación de Cetus, la Ballena, está muy cerca de la eclíptica, que es el plano donde orbitan la mayor parte de los cuerpos del sistema solar. Así se ve hoy a medianoche, por si alguien quere salir a cazar dragones:


Por estar cerca de la eclíptica unos cuantos asteroides se colaron en la foto. Sus imágenes están movidas porque las fotos de los Frontier Fields son exposiciones extremadamente largas, y el telescopio espacial Hubble se mueve en su órbita mientras las hace. A eso se debe también la formita curvada de las trazas de los asteroides. Además hay trazas repetidas, porque la foto es tan larga que se la obtuvo haciendo múltiples exposiciones (llamadas épocas) a lo largo de años, acomodándolas intercaladas con las de muchos otros proyectos del telescopio.

Las imágenes con los asteroides también son preciosas, y nos recuerdan las muchas vicisitudes que tiene la astronomía en el mundo real. Las fotos fantásticas a las que nos hemos acostumbrado están muy procesadas por los expertos en imágenes antes de llegar al público. En alguna medida todos los que compartimos nuestras fotos astronómicas también lo hacemos.


Las imágenes de Abell 370 y su campo paralelo son de NASA/ESA/Hubble Space Telescope. La imagen del cielo está hecha con Stellarium.

sábado, 3 de noviembre de 2018

El Dragón en la panza de la Ballena

En la constelación de la Ballena, casi exactamente en el ecuador celeste, hay un objeto extraordinario que, por razones obvias, ha recibido el sobrenombre de "el Dragón":


¡Qué es esto! Es una galaxia. A la izquierda vemos la cabeza del Dragón, que tiene pinta de galaxia espiral, con un núcleo anaranjado de estrellas antiguas y azules brazos de estrellas jóvenes, festoneados de puntos brillantes de intensa formación estelar. Un cuello, un cuerpo y una cola serpentean hacia la derecha, también pintados de naranja y celeste. Es una galaxia, pero no se parece a ninguna de las galaxias que estamos acostumbrados a ver. ¿Tal vez tiene una larga cola producto de una interacción con otra galaxia? Después de todo el Dragón parece estar nadando en un mar de otras galaxias. Pero no es eso. Otros filamentos que vemos por ahí apuntan a otro fenómeno. El campo completo de este cúmulo de galaxias, conocido como Abell 370, permite ver lo que está pasando:


En Abell 370 vemos cientos de galaxias, grandes y chicas. Pero lo más notable salta a la vista: el Dragón es un caso peculiar de una multitud de arcos luminosos, algunos reconociblemente galaxias estiradas y deformadas, formando un patrón casi circular alrededor de su centro. Abell 370, con su enorme masa, funciona como un telescopio de mala calidad, aumentando y distorsionando la luz de galaxias más lejanas. Se trata de un caso extremo de lente gravitacional, en la cual la refracción de la luz no la produce un medio material (como en una lupa de vidrio) sino la mismísima curvatura del espacio-tiempo que explica la Relatividad General.

Abell 370 es uno de los cúmulos del programa Frontier Fields, una ambiciosa campaña de observación profunda de seis cúmulos de galaxias usando el Telescopio Espacial Hubble, con la intención de aprovechar estos "telescopios naturales" para observar el universo joven, más allá de lo que el Hubble solito puede hacer. Además de cada cúmulo se observó un campo vecino, sin la lente gravitacional, con propósitos de comparación. Éste es el "aburrido" campo paralelo de Abell 370:


Vale un recordatorio: cada lucecita en estas imágenes no es una estrella, sino una gran galaxia con centenares de miles de millones de estrellas, con sus planetas, lunas, asteroides, cometas...

Además de permitir observar lejanísimas galaxias de otro modo inaccesibles, la deformación que produce la lente gravitacional permite calcular la distribución de materia en el cúmulo. Es un ejemplo de un problema inverso: dado un resultado, descubrir la causa que lo produce. Los problemas inversos son notoriamente difíciles, y es un gran mérito de los astrónomos la maestría que han logrado. Para Abell 370 la lente es así, pintando de azul la distribución de materia:


Dos cosas son notables aquí. Primero, que la distribución de materia no coincide exactamente con las galaxias que vemos formando parte del cúmulo, algunas de ellas muy brillantes, grandes y seguramente enormemente masivas. De hecho, la máxima densidad de la lente está aquí, ¡justo en un sitio donde no hay galaxias! Toda esta materia tiene masa (porque la vemos distorsionando la luz) pero no brilla como las estrellas de una galaxia. Por tal razón la llamamos materia oscura. Aparte de que existe y que produce estos efectos, no sabemos gran cosa de ella.

En segundo lugar, vemos que hay dos núcleos de materia oscura (dos partes de azul más brillante). Esto muestra que Abell 370 no es un cúmulo sino dos cúmulos en colisión (tal vez sean cuatro). Cuando chocan dos cúmulos de galaxias rara vez chocan sus miembros unas con otras, tal es la vastedad del espacio entre ellas. Pero el tenue gas que hay entre ellas sí choca, y en el choque se comprime, se calienta y queda un poco atrás del resto de su cúmulo. Ese gas caliente emite rayos X, y ha sido observado por el Telescopio Espacial Chandra. Aquí lo vemos pintado de rosa:


La separación de la nube rosa (gas caliente) y la nube azul (lente gravitacional) constituye una de las mejores evidencias de la existencia de esta rara materia oscura.

El Hubble se ha embarcado en una campaña adicional de observación de los Frontier Fields: BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields and Legacy Observations). Afortunadamente se solucionó la reciente falla de uno de sus giróscopos y el Hubble ha retomado su trabajo, que nos ha dado tantas maravillas en ya más de un cuarto de siglo.


Las imágenes son de NASA/ESA/STScI/Hubble Space Telescope/Chandra Space Telescope y sus muchas e internacionales instituciones asociadas.
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