sábado, 8 de agosto de 2020

Virgo virtual

Rhys Taylor es un astrofísico que trabaja observando galaxias en la banda de 21 cm, algo que él define como "mayormente, observar estática". También escribe una serie de blogs que leo habitualmente: Physicists of the Caribbean (porque hizo un postdoc en Arecibo), y sus spin-offs Little Physicists and Decoherency. Me encanta su estilo, su humor, y las cosas que cuenta (si bien es muy verborrágico, y sus notas son larguísimas, algo que yo aprendí a evitar). Allí cuenta y muestra cuestiones astronómicas, muchas veces ilustradas con la maestría de su segunda pasión, las animaciones CGI, hechas en la computadora.

Hace unos meses, justo cuando yo estaba escribiendo sobre el cúmulo de Virgo y sus galaxias, Rhys publicó una visualización preciosa, Virgo Virtual Visuals. Esta es una imagen.

No es una foto, como la mía, sino una visualización basada en las imágenes de las galaxias hechas como parte del proyecto SDSS. Rhys recortó cada galaxia del cúmulo, limpió y procesó las imágenes, y las acomodó en un mapa que parece una foto. Pero no sólo esto: usando los mejores datos disponibles de la distancia a cada galaxia individual, su mapa es tridimensional. Es mucho mejor que una foto, ya que se puede navegar a través del cúmulo como nunca podremos hacerlo en la vida real. Preparó un videíto con un vuelo (pónganlo en full screen):



¿No es una preciosidad? Traten de identificar las galaxias principales del cúmulo, que hemos comentado aquí, y seguirlas durante el vuelo: M87, M49, M86 y la cadena de Markarian...

Pero esto no es todo. Aburrido durante la cuarentena del Covid-19 en Praga (ahora trabaja en Praga, habiendo escapado de las selvas caribeñas), decidió incorporar interactividad a su visualización. Y lo hizo explotando las posibilidades 3D de la internet moderna, ya que la visualización entera es un archivo html que se puede usar dentro del propio navegador. Es un archivo medio gigante, de 90MB, así que conviene descargarlo y abrirlo localmente, a menos que tengas una conexión súper rápida (que no es el caso en Bariloche). El enlace es éste: Virgo Virtual Visuals.


Tiene unos poco controles bastante fáciles de usar, que permiten acercarse, alejarse y moverse alrededor del cúmulo. Y una opciones (un poco intrusivas, para mi gusto) que permiten sacar o poner elementos: escala, etiquetas y tipos de galaxias.

A propósito de éstas, la nomenclatura no es obvia: ETG (early type galaxies, tipo temprano) y LTG (late type galaxies, tipo tardío). ¿Qué es esto del tipo temprano y tardío? ¿Acaso las galaxias evolucionan y envejecen? Sí y no. Las galaxias evolucionan, como hemos contado más de una vez, mediante colisiones y fusiones. Pero las denominaciones de tempranas y tardías no tienen nada que ver con esto. Es una de esas cosas que quedan fosilizadas en la tradición, y nunca se van del todo. Como el bang del Big Bang, pero en este caso ni siquiera es un nombre marketinero. El culpable, en este caso, es el mismísimo Edwin Hubble, de galáctica fama.

Básicamente, las ETG son galaxias suaves, sin estructura, tirando al cremita (los astrónomos dicen rojo, pero es un beigecito), compuestas mayormente por estrellas ancianas y se han quedado con poco gas interestelar. Las galaxias elípticas son de este tipo. Las LTG tienen todavía mucho gas, están activamente formando estrellas, lo cual les da un color mucho más azulado. Tienen además generalmente bastante estructura, típicamente espiral, como la Vía Láctea. Como se ve, ¡la denominación es más bien al revés! Aunque ni siquiera, porque la evolución de las galaxias no es tampoco así de lineal. Nadie sabe por qué Hubble inventó estos nombres, ya que él mismo, en una nota de pie de página, reconoce que no se refiere a la edad cronológica de las galaxias, sino a la complejidad de sus estructuras cuando se las acomoda en un diagrama que él inventó:


La visualización permite encender y apagar independientemente las galaxias tempranas y tardías, y apreciar una segregación morfológica: las galaxias tempranas tienden a amontonarse, mientras que las tardías están más dispersas, incluso formando la periferia del cúmulo. ¿Por qué pasa esto? La verdad que no se sabe, y es un tópico de intensa investigación entre los galactólogos. ¿Acaso las elípticas están en el fondo de un pozo gravitacional que ellas mismas crean, y la espirales caen hacia ellas? En el cúmulo de Virgo, las ETG forman un esqueleto alargado, que ya mencioné en aquella nota.

Otra cosa interesante que se puede visualizar con una herramienta como ésta es que Virgo no es un cúmulo monolítico, sino que está formado por varias componentes. También mencionamos este aspecto cuando revisamos mi foto. Las dos componentes principales son las que están dominadas por dos grandes galaxias tempranas, M87 y M49, pero hay otras, grandes y chicas, que pueden apreciarse bien moviéndose alrededor.

¿Cómo sabemos la distancia a estas galaxias, si están tan lejos que ningún método geométrico funciona? La clave la descubrió Hubble, quien cuando no estaba inventando terminologías absurdas era bastante genial. En la luz de cada galaxia está escondida su distancia, codificada como la velocidad a la que se aleja de nosotros arrastrada por la expansión del universo. Hoy en día se puede medir esta velocidad con enorme precisión, del orden de 1 km/s (¡a millones de años luz!). Pero superpuesto a este alejamiento está la velocidad propia de cada galaxia dentro de su cúmulo, y no es fácil desentrañar los dos efectos. Según Rhys, este es el punto más débil de la visualización, ya que la posición en la tercera dimensión es mucho más incierta que en las otras dos. Igual, me encantó.

Se acaba de publicar la decimosexta edición del catálogo SDSS, con un par de millones de galaxias y quasars, y estaría buenísimo poder usarlo para navegar interactivamente en 3D. No sé si Rhys hará algo, pero estaré atento. Pronto DESI llevará ese número a un par de decenas de millones, y nuevos telescopios espaciales como Euclid de la ESA y WFIRST de la NASA medirán redshifts a cientos de millones de galaxias. Antes del fin de la década la "tensión" en la constante de Hubble se habrá resuelto.


Todas las imágenes son de Rhys Taylor, o generadas con la visualización de Rhys Taylor, quien gentilmente accedió a que difundiera aquí su trabajo. No se pierdan sus otras visualizaciones, en su página web.

E Hubble, Extra galactic nebulae, Astrophysical Journal 64:321-369 (1926). Allí dice que: "“Early” and “late,” in spite of their temporal connotations, appear to be the most convenient adjectives available for describing relative positions in the sequence." Ah, bueno.

sábado, 1 de agosto de 2020

El cometa de la cuarentena

El cometa Neowise (C/2020 F3 NEOWISE) llegó de las profundidades del sistema solar por el lado del sur, haciendo piruetas entre Carina y Centauro. Cuando se lo descubrió estaba cerca de la brillante estrella Canopus, aproximándose al Sol en una órbita casi parabólica, muy inclinada y retrógrada. Típico de un cometa que viene de la nube de Oort.


A principio de julio alcanzó su máxima aproximación al Sol (casi en la órbita de Mercurio), al mismo tiempo que cambió de hemisferio. Rápidamente se convirtió en un cometa brillante. Con un núcleo que alcanzó la primera magnitud, más la coma y dos grandes colas, se lo pudo ver a simple vista durante un par de semanas en el cielo del amanecer del hemisferio norte. En fotografías se lo veía magnífico y, por supuesto, todos los aficionados del hemisferio sur empezamos a cruzar los dedos para poder verlo.


El movimiento combinado del cometa y de la Tierra lo convirtió de cometa matutino en cometa vespertino en la cuarta semana de julio. Alrededor del 23, coincidiendo con su máximo acercamiento a la Tierra, empezó a aparecer apenas sobre el horizonte de los cielos australes. Lamentablemente, como los cometas no brillan con luz propia sino que reflejan la del Sol, a medida que se aleja brilla cada vez menos. Pude verlo desde Bariloche recién el día 27, a sólo 5 grados sobre el horizonte, a las 19:50. La claridad del atardecer, más la Luna en cuarto creciente, más la cercanía al horizonte, todo conspira en contra para nuestras latitudes. Pude fotografiarlo, muy bajito sobre la cordillera de los Andes.


Definitivamente ya no es un objeto visible a simple vista. La estrella que vemos sobre el cometa tiene magnitud 5.7, completamente invisible en estas circunstancias. Con binoculares logré apenas vislumbrarlo, pero no la cola, que ni siquiera salió en la foto. Lo que sí se ve en la imagen es el característico color verde de la coma (la atmósfera de gases y polvo que, una vez empujada por el viento y la radiación solar, forman la cola). Nada más.


La órbita del Neowise, tras su paso cruzando las órbitas de los planetas, resulta una elipse estiradísima, con un período de miles de años. Es ahora un cometa de período largo. Se pasará la mayor parte de ese tiempo a cientos de unidades astronómicas del Sol, mucho más lejos que Plutón. Y algún día volverá, y quién sabe si alguien lo observará desde la Tierra, o desde dónde. Ahora es ya un cometa de morondanga, y prefiero despedirme con el recuerdo de algún cometa posta, como el Panstarrs del 2013.



La foto del cometa sobre Stonhenge es de Matthew Browne (c).

La imagen de la trayectoria del cometa en el cielo es de Tomruen (CC BY-SA). Las espirales que hace cuando se acerca y cuando se aleja se deben al movimiento de la Tierra, no del cometa. Cada vuelta es un año.

La imagen de la órbita del cometa es de Gideon van Buitenen (anotada por mí).

sábado, 25 de julio de 2020

La distancia a la Luna

Cuando conté hace poco la medición de la distancia al Sol por métodos geométricos (usando el tránsito de Mercurio), un lector quedó intrigado sobre los métodos que los antiguos griegos habrían usado para medir estas cantidades astronómicas sin instrumentos de precisión. La verdad que es bastante fácil, si bien impreciso. Voy a contarlo, sin demasiados detalles ni exactitud histórica, más bien para que se vea la idea conceptual.

La Luna da una vuelta al cielo en 27.3 días, eso ya era conocimiento antiguo incluso para los griegos. Son 360 grados, y el tamaño de la Luna en el cielo es medio grado. Así que son 720 diámetros lunares en 27.3 días. Si dividimos 720 por 27.3×24 nos da 1.1 horas para recorrer su propio diámetro. Eso por un lado.

Los eclipses lunares más largos son cuando la Luna atraviesa la sombra de la Tierra por el medio, y permiten comparar ambos tamaños. El eclipse del 27 de julio de 2018 fue de este tipo. Desde que la Luna empezó a entrar en la sombra (la umbra) hasta que empezó a salir, o sea desde el contacto U1 al U3, pasaron 2 horas 49 minutos, es decir 2.8 horas.

Supongamos que el Sol está infinitamente lejos. No está, pero para hacer un cálculo rápido los físicos razonamos así, porque somos muy vagos. Entonces la sombra de la Tierra tiene el mismo tamaño que la Tierra. Podemos juntar los dos valores que calculamos antes: la Luna la atravesó en 2.8 horas, y tarda 1.1 horas en recorrer su propio diámetro. Así que la Tierra es 2.8/1.1 = 2.5 veces más grande que la Luna. Si la Tierra mide 13000 km de diámetro (Eratóstenes lo midió), el de la Luna es 5200 km. En realidad son 3500, así que no está tan mal.

¿Y a qué distancia está? Si miramos una bolita de lejos podemos hacer que tenga el mismo tamaño que la Luna. Hice la prueba y saqué una foto durante la cuarentena Covid-19:


La canica que usé mide 1.6 mm, y tuve que ponerla a 184 cm de la cámara:


De esta manera tenemos construidos dos triángulos semejantes, con la cámara en el vértice, y bases en la bolita y en la Luna.


La geometría era pan comido para los griegos. Sin pensarlo dos veces, el griego te dice que el cociente entre la bolita y su distancia es igual al cociente entre la Luna y su distancia. La única cantidad desconocida de esas cuatro es la distancia a la Luna, y usamos las otras tres para calcularla:

3500 km × 184 cm / 1.6 cm = 400000 km

¡Cuatrocientos mil kilómetros! El griego sonríe satisfecho, se está asomando a un universo mucho más grande que el Peloponeso.

Otro día cuento la distancia al Sol.


NB: Seguramente ningún astrónomo de la Antigüedad habrá calculado exactamente así. Pero las ideas son éstas. Del genial Aristarco de Samos se conserva una sola obra, Sobre los tamaños y las distancias, donde precisamente calcula estas cosas. Lo hace con mucha más exactitud, ya que tiene en cuenta la distancia y el tamaño del Sol.

En el cálculo del tamaño de la Luna hay varias fuentes de error, no sólo el tamaño de la sombra de la Tierra que ya mencioné. Habría que tener en cuenta que la Tierra (y su sombra) también se mueven durante el eclipse, no sólo la Luna. O hacer una composición fotográfica como la que hizo Aldo Kleiman junto con José Luis Sánchez. Esto se puede corregir, porque el movimiento de la Tierra es el que hace que una lunación (de nueva a nueva) no sean 27.3 días sino 29.5. También habría que usar la duración de un eclipse exactamente central, no como yo que usé el primero que encontré. Pero los griegos tenían acceso a miles de años de observaciones de los babilonios, así que podían mejorar este valor.

La foto de la umbra de la Tierra, reconstruída en base a múltiples eclipses lunares, está buenísima. Me la cedió gentilmente Aldo para esta nota. Aldo también participó en la observación del tránsito de Mercurio para medir la paralaje solar. No se pierdan el resto de sus fotos.

sábado, 18 de julio de 2020

El Big Bang en Delpo básico

Vamos a desmitificar un poco algunas cosas sobre el Big Bang, de la manera más simple posible.


Juan Martín la tiene bastante clara y lo explica así en Delpo básico:
Eh, bueno, había mucha energía concentrada y ¡pum! explotó todo y se formó el universo. Montañas, ríos... shoppings.

Zafa, más o menos. La primera parte viene fenómeno: mucha energía concentrada (del dibujo nos ocuparemos otro día). También es bastante correcto lo de "explotó todo". La canción de los títulos iniciales de The Big Bang Theory lo explica todavía mejor:
Our whole universe was in a hot, dense, state,
Then nearly fourteen billion years ago expansion started, wait.
Bastante mejor. Esto es muy exactamente lo que significa el Big Bang: el universo temprano, caliente y denso, expandiéndose rápidamente.

El Big Bang NO ES una explosión en el origen del universo. El nombre le quedó porque es marketinero, pero atrasa 60 años. Definitivamente no es una explosión como la que se ve en Cosmos.

Sabemos muchísimo del Big Bang gracias a tres generaciones de satélites y una cantidad de radiotelescopios en la Tierra, que midieron, con enorme precisión, el último resplandor que dejó ese "estado denso y caliente". Es la luz más antigua que podemos ver, el fondo cósmico de microondas, del que ya hemos hablado.

Esa radiación viene de un universo bebé (380 mil años de edad, comparado con los actuales 14 mil millones), muy distinto del actual, mucho más chico (1100 veces más chico), sin estrellas ni galaxias. No podemos ver nada anterior a ese estado. Pero lo que ocurrió antes dejó su huella en esa radiación, y sumada a lo que sabemos de física tenemos una idea muy exacta de lo que ocurió en esos 380 mil años de rápida expansión.

Por ejemplo, cuando tenía apenas 50 mil años de edad era todavía más chico (3 veces más chico), más denso y más caliente. Allí finalizó una etapa tan caliente que estaba dominada por los fotones, en lugar de por la materia ordinaria. Pero ya existía la materia. Los núcleos de los elementos químicos más sencillos: mucho hidrógeno, algo de helio, y una pizca de litio. Esos núcleos atómicos (esos mismos núcleos, especialmente los del hidrógeno) serían cruciales más adelante, ya que son el combustible de las estrellas. Se habían formado 50 mil años antes, cuando el universo tenía apenas 100 segundos de edad, y era increíblemente pequeño, increíblemente denso, e inimaginablemente caliente. Tan, tan distinto, era ese universo, y sin embargo es de donde viene el hidrógeno que mientras escribo estas líneas cae en forma de nieve sobre Bariloche, dos hidrógenos en cada molécula de agua (el oxígeno no viene de allí, es mucho más joven).

¿Y todavía antes? Hasta donde sabemos (en base a observaciones muy precisas y teorías científicas muy bien conocidas), en una pequeñísima fracción inicial del primer segundo ocurrió algo especial, llamado inflación cósmica. Durante la inflación el universo se expandió a un ritmo feroz, mucho más rápido que lo que vino después, con los núcleos atómicos, los fotones y sarasa. Ahora en la pandemia del coronavirus todo el mundo ha oído hablar del crecimiento exponencial ¿no? Bueno, la inflación cósmica fue exponencial. No sabemos mucho de esa época, pero es una teoría tan exitosa en explicar una serie de observaciones que hay un razonable consenso de, a grandes rasgos, cómo ocurrió. Tal vez otro día cuente detalles.


¿Y antes? Bueno, aquí es donde las cosas se ponen cada vez más conjeturales. La respuesta honesta es que no sabemos.

Al principio del Big Bang NO HUBO una singularidad. La "singularidad de densidad y temperatura infinitas, sobre la cual la física no puede decir nada", es una idea que atrasa 40 años. Las mediciones del fondo de microondas descartan la existencia de ciertas partículas que deberían formarse a energías ultra-altas (monopolos magnéticos y otras rarezas), así que nunca existieron tales temperaturas y energías. No llegaron ni cerca de la famosa "energía de Planck". Así que no: no hubo una singularidad. No hubo infinito.

El Big Bang NO ES el origen del espacio-tiempo. ¿De dónde salió la inflación? Como dije, no lo sabemos. Pero, como es exponencial, bien podría haber existido siempre. Miren, en una expansión exponencial, cada tanto tiempo el tamaño se duplica. Así que antes el universo era la mitad de grande, y otro tanto atrás la mitad de la mitad, y así sucesivamente, sin ningún comienzo, durante toda una eternidad (la curva roja en el gráfico de arriba). La inflación sería eterna, algo que a los argentinos nos parece perfectamente aceptable. No habría un "comienzo del espacio y el tiempo". La frase "no tiene sentido preguntarse que había antes del Big Bang porque no existía el tiempo", igual que la de la singularidad, atrasa 40 años.

Resumiendo: el Big Bang es un estado denso y caliente del universo temprano. Comenzó con una expansión exponencial que llamamos inflación, que duró una fracción de segundo o una eternidad, y luego siguió (y sigue) expandiéndose de manera más mansa. ¿Singularidad? No hubo. ¿Comienzo del espacio-tiempo? Mmmm, me juego que no hubo. ¿Qué pasó antes del Big Bang? No lo sabemos. Tal vez inflación eterna. Tal vez otra cosa. Así, en Delpo básico.



Hay que decir también que hay teorías (no "corazonadas", no "hipótesis", sino teorías científicas), como loop quantum gravity, que proponen una manera de unificar la relatividad general con la mecánica cuántica, que explicaría el mecanismo de la inflación y de dónde salió. Yo no sé prácticamente nada de esto, apenas escuché una charla de mi viejo compañero del Balseiro Jorge Pullin, que me encantó.

El gráfico lo hice yo. Muestra cómo se expande el universo cuando está dominado por materia o radiación (soluciones de la ecuación de Friedman, donde se cruzan son los 50 mil años que dije antes) o inflación (una exponencial a ojímetro, si las pongo a escala no se ve nada). A tiempo = 0 las dos primeras dan una singularidad (tamaño cero), pero la inflación no, o no necesariamente.

Las imágenes son de la campaña publicitaria de Yogurísimo. Los videos son muy graciosos, el títere de Delpo está buenísimo, y también su voz.