Supernova arácnida

Para celebrar Halloween, sigamos con las partículas fantasmales llamadas neutrinos. Son tan etéreas que podrían atravesar un blindaje de plomo de un año luz de espesor sin que se les mueva un pelo. Hace un par de semanas se anunció que el premio Nobel de Física correspondía al descubrimiento de la oscilación del sabor de los neutrinos. El primer laboratorio que observó el fenómeno fue el Super-Kamiokande, en Japón. ¿Cómo blip hacen para detectar neutrinos?

Bueno, como todo fenómeno cuántico, la interacción de un neutrino con otra partícula subatómica es un fenómeno probabilístico. Por más que sea extremadamente improbable, ocurre. Para observarlo sin esperar hasta el Día del Juicio, el físico experimental intentará multiplicar esa probabilidad. Hay dos maneras de hacerlo: aumentando la cantidad de neutrinos, y aumentando la cantidad de átomos del detector. Lo primero es imposible de controlar. Pero por suerte el universo está hasta el cuello de neutrinos. Hay tantos que es difícil de imaginar. Miles de millones nos atraviesan todo el tiempo. Fenómeno, hay suficientes neutrinos.

Por otro lado, el detector sí se puede controlar. El principio de funcionamiento es similar al que usan en el Laboratorio Auger en Mendoza para detectar rayos cósmicos, o el genial Laboratorio ANDES de próxima construcción: un tacho de agua con detectores de luz. Cuando el neutrino (uno de cada quintillón, pero uno al fin) interactúa con un átomo en el agua, produce una lucecita que se puede observar. Conviene meter el tacho un kilómetro bajo tierra para blindarlo de la radiación cósmica. Y, por supuesto, hacerlo grande. Muy grande. ¡Gigante! Super-Kamiokande es así:

¿Qué es eso, un bote? Sí: un bote. El tacho mide 40 metros de diámetro, está lleno de agua ultrapura, y cuando lo vacían para hacerle un service a los tubos fotomultiplicadores de las paredes usan un bote para recorrerlo. ¿Acaso hay aquí una gran oportunidad para una escena de una película de James Bond? ¡Des-per-di-cia-da!

¿Y funciona? ¡Claro que funciona! Con aparatos como éste detectan un par de neutrinos por día. Por día. De golpe, el 23 de febrero de 1987, Kamiokande-II (así se llamaba entonces), detectó 16 neutrinos en menos de quince segundos. Como si fuera poco, otros dos observatorios, en Rusia y en Estados Unidos, detectaron 13 neutrinos más, exactamente simultáneos con los de Japón. ¡Chan!

Mientras los neutrinólogos todavía se rascaban la cabeza pensando qué estaba pasando, un par de horas después la luz de una explosión descomunal llegó a la Tierra. Por primera vez desde el siglo XVII una supernova brillaba en el cielo de la Tierra. La estrella moribunda alcanzó un brillo algo menor que la estrella más tenue de la Cruz del Sur. Yo vivía ya en Bariloche, cursando cuarto año de Física, y tuve la suerte de verla. No era gran cosa en el cielo, nada cinematográfico. Pero era una estrella explotando en otra galaxia, ¡visible a simple vista! La estrella estaba en la Nube Mayor de Magallanes, específicamente en la inmensa región de formación estelar llamada Nebulosa Tarántula, una de las más activas del universo.

El año pasado fotografié la Tarántula. Tenía un hilo de esperanza de poder identificar los restos de la supernova, pero una estrella vecina los enmascara. La Tarántula es así:

Es inmensa. Hay unos 1000 años luz entre el centro de la nebulosa y el lugar de la explosión (marcado SN 1987a). Cientos, miles de estrellas explotarán en esta región en el próximo millón de años. Cada una de ellas se dará vuelta como un guante en la explosión, vertiendo en el medio interestelar el contenido de sus núcleos, rico en elementos pesados, listos para ser reciclados en la formación de nuevas estrellas y planetas. Telescopios mejores que el mío permiten observar el fenómeno desenvolviéndose ante nuestros ojos, año tras año en las décadas que han pasado, por primera vez en la historia. No sabemos cuándo volveremos a observar una supernova tan cercana. Mientras tanto, ésta es la única que hemos visto en la era moderna.

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La foto de la rara nebulosa en forma de anillo de los restos de la supernova SN1987A es de NASA/Hubble/STScI.

Atentos: Halloween se pronuncia jalowín, con acento en la i, no jálowin como suele escucharse en Argentina.

Filatelia nuclear

Cuando explico el problema de fuerzas centrales en el curso de Mecánica Clásica siempre aprovecho para contarles a los chicos un poco sobre Rutherford. ¿Quién? ¿Mike Rutherford, el guitarrista de Genesis? No. Ernest Rutherford. El más grande físico experimental desde Faraday.

Empecemos por el experimento más famoso de colisión de partículas. No: no es el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC en 2012 (la partícula de Dios en la Máquina de Dios, como popularizaron de manera exageradamente marketinera desde Ginebra). El experimento más famoso fue mucho más modesto en hardware, pero sensacional en alcance: fue el descubrimiento del núcleo atómico, realizado cien años antes por Geiger, Marsden y Rutherford.

El experimento fue realizado en Manchester en 1909. Rutherford, neocelandés, venía de Canadá donde había realizado el sueño de los alquimistas: había transmutado un elemento químico en otro. También descubrió (y bautizó) el protón, y por estos trabajos ya había ganado el premio Nobel de Química en 1908. Pero no se durmió en los laureles, y fue la única persona que hizo sus mayores contribuciones después del Nobel. Hans Geiger era un postdoc alemán y Ernest Marsden un estudiante neocelandés. El experimento consistía en bombardear una chapita de oro con partículas alfa y mirar cómo se desviaban. El detector era una pantallita de sulfuro de zinc de 1 mm² que miraban por un microscopio. Cada partícula alfa que llegaba al detector producía un destello, que contaban a mano. Compárese esto con el detector del experimento ATLAS donde se descubrió el bosón de Higgs en el LHC: 46 metros de largo, 25 de ancho, 7000 toneladas y 3000 kilómetros de cables. Era más barata, la Física.

Geiger y Marsden contaban sus partículas alfa. La inmensa mayoría atravesaban el oro lo más panchas, desviándose más o menos. Pero quedaron pasmados al observar que algunas, poquitititas, se reflejaban en lugar de atravesarlo. A pesar de haber sugerido él mismo la observación, Rutherford quedó turulato: dijo que era como si uno tirara cañonazos de 15 pulgadas contra papel higiénico, y que algunos proyectiles rebotaran. Pasó un año entero. Un día Rutherford apareció feliz en el cuarto de Geiger: "Ya sé cómo son los átomos."

A Rutherford le llevó meses completar el cálculo (el que yo hago en clase en media hora, pero porque ya me sé el final), durante los cuales Geiger y Marsden mejoraron el experimento. Lo publicó en 1911. Geiger y Marsden usaron su nuevo aparato para medir el fenómeno con mucha precisión y les dio perfecto lo que predecía el cálculo. No había ninguna duda: los átomos de oro tenían casi toda su masa concentrada en un núcleo cargado positivamente. Habían descubierto la estructura del átomo.

El gran astrónomo Arthur Eddington dijo que era el descubrimiento más sensacional desde que Demócrito, dos mil años antes, había postulado la existencia de los átomos. Es increíble que no les hayan dado el premio Nobel. Yo creo que el Nobel anterior de Rutherford les jugó en contra. Durante 1912 los visitó en Manchester Niels Bohr, quien inspirado por el descubrimiento desarrolló y publicó inmediatamente su modelo atómico "cuantizado" (premio Nobel 1922), que desencadenó la revolución de la Física Cuántica y de toda nuestra actual civilización tecnológica.

Rutherford, curiosamente, no figura como autor de los trabajos de Geiger y Marsden. Era una persona extremadamente generosa. En 1919 se mudó a Cambridge, donde en su laboratorio se obtuvieron varios premios Nobel más, incluyendo el de Chadwick (1935) por el descubrimiento del neutrón en 1932, también una idea de Rutherford que quedó en el anonimato. Y lo mismo con el trabajo de John Cockcroft (Nobel 1951), descubridor de la fisión nuclear en 1932. Alentó también a Patrick Blackett en el desarrollo de la cámara de niebla, que lo llevaría a ganar el premio Nobel en 1948 y a descubrir la antimateria junto con Beppo Occhialini, también en 1932. Su estudiante favorito fue Pyotr Kapitsa (premio Nobel 1978), de quien al principio sospechaba porque venía de Rusia. Le dijo que no toleraría propaganda comunista en su Laboratorio. Kapitsa fundó un club muy exitoso, el Club Kapitsa, con el propósito de romper el hielo entre los estudiantes y los profesores británicos. Él y Rutherford terminaron siendo grandes amigos. Kapitsa le puso de sobrenombre Cocodrilo, un nombre que se hizo famoso (la foto muestra la entrada del laboratorio Cavendish en Cambridge, donde trabajaron). No sé si en NZ hay cocodrilos, pero para el ruso un cocodrilo y un neocelandés eran igualmente exóticos, y tal vez Rutherford le daba un poco de miedo.

Rutherford murió en 1937 a los 66 años de edad, a consecuencia de una hernia abdominal que se demoró en ser operada, porque Rutherford era Lord y no podía ser operado por un cirujano cualquiera de Cambridge. Cuando llegó un Lord Cirujano (¡uuuhhh!) de Londres, ya era tarde. Increíble.

Rutherford solía decir: La ciencia es, o Física, o coleccionar estampillas. Eran tiempos más simples, y menos políticamente correctos.

Kajita feliz y McDonald también

La semana pasada se anunció que los ganadores del Premio Nobel de Física 2015 son Takaaki Kajita, del observatorio Super-Kamiokande en Japón y Arthur McDonald, del observatorio Sudbury en Canadá. Ambos comparten el premio por su descubrimiento de un fenómeno sorprendente y crucial de la física de los neutrinos. Estas fantasmales partículas subatómicas resultan muy intrigantes para mucha gente, y su fenomenología estuvo relacionada con un misterio astronómico inquietante, así que voy a contar algo.

Los neutrinos son fantásticamente elusivos: casi no interactúan con el resto de la materia, y por tal razón son increíblemente difíciles de detectar. Atraviesan, como fantasmas, todo lo que se les pone delante. En este mismo instante miles de millones de neutrinos están atravesando cada centímetro cuadrado de tu cuerpo. No te hacen ni cosquillas, y no podés hacer nada para evitarlo. ¿De dónde vienen?

El Sol produce muchísimos neutrinos. Cada reacción nuclear que convierte 4 hidrógenos en un helio en el centro del Sol produce, de yapa, dos neutrinos. El Sol convierte 700 millones de toneladas de hidrógeno en helio cada segundo. Así que produce una pasmosa cantidad de neutrinos. Hagan la cuenta, a mí me da pereza. Pero son miles de millones por centímetro cuadrado por segundo a la distancia que nos encontramos del Sol.

Cuando se construyeron los primeros detectores de neutrinos en la década del 60 se observaron los neutrinos provenientes del Sol, e inmediatamente apareció un problema. Se sabía, por lo que sabemos de cómo funciona el Sol, cuántos neutrinos debía producir. Y se detectó apenas la tercera parte. ¡Un tercio! ¿Dónde estaba el resto? ¿Qué había fallado? ¿Nuestro entendimiento del Sol, o de la física de las partículas elementales? Es difícil transmitirlo en unas pocas líneas, pero realmente era un problema muy serio, y hasta preocupante.

La falta de neutrinos provenientes del centro del Sol, tomada así nomás sin anestesia, significaba que el Sol se estaba apagando. La luz, la radiación electromagnética, que se origina en el centro del Sol tarda unos cien mil años en llegar a la superficie (y 8 minutos después la vemos acá). Pero los neutrinos, en su fantasmal carrera, salen del Sol en un santiamén. Los neutrinos que vemos son fresquitos, recién producidos. Era imaginable que el horno termonuclear se hubiera apagado, y que la luz siguiera brillando un tiempo más. ¿Qué pasaría? ¿Podría realmente apagarse el Sol? Al dejar de fluir la energía que lo mantiene inflado, ¿acaso colapsaría por su propio peso y explotaría como una nova? ¿Dentro de pocos años? Ninguna perspectiva era muy alentadora para nosotros en la Tierra.

Cuarenta años tardó en llegar la solución al problema de los neutrinos solares. Resulta que los neutrinos vienen en tres clases, que los imaginativos físicos de partículas llaman sabores. Pero estos sabores no son chocolate, vainilla y frutilla. Se llaman neutrinos electrónicos, muónicos y tau (¿tauónicos?). Los neutrinos que produce el Sol son de sabor electrónico. Lo que descubrieron en Super-Kamiokande y en Sudbury fue que, en su viaje desde el Sol, los neutrinos oscilan, es decir cambian de sabor. Cuando los detectamos en la Tierra, los electrónicos son apenas un tercio del total. Pero si se cuentan todos los sabores, la producción de neutrinos solares es perfectamente normal. El Sol no va a explotar, todos contentos, Premio Nobel para Kajita y McDonald.

La resolución del problema no deja de ser curiosa desde un punto de vista epistemológico. Básicamente había dos posibilidades: o había un problema con nuestro entendimiento de cómo funciona el Sol (el modelo solar), o con nuestro entendimiento de cómo funcionan las partículas elementales (el modelo estándar). Cualquiera (yo, por ejemplo) hubiera dicho que lo que estaba mal era el modelo solar. Después de todo, el Sol es una cosa gigante, turbulenta, caótica, un lío de mil fenómenos físicos a una multitud de escalas, desde las reacciones nucleares a escala subatómica hasta los terroríficos estrellamotos y las erupciones de la corona. El modelo estándar, por su parte, era un bello edificio matemático construído lógica y primorosamente en base a experimentos bien controlados. Y, sin embargo, resultó que el modelo solar estaba bien, y que el que hubo que modificar era el modelo estándar. De hecho, la modificación no está completa: hay mucho de la física de los neutrinos que todavía ignoramos. Habrá más premios nobeles neutrínicos en el futuro, eso es seguro.

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En Bariloche tenemos a uno de los expertos mundiales en la física de los neutrinos más allá del Modelo Estándar, Esteban Roulet, en el Grupo de Partículas y Campos del Centro Atómico Bariloche. En un review suyo anterior al descubrimiento de la oscilación se analiza la resolución del problema de los neutrinos solares mediante estas oscilaciones. Los neutrinos que cambian de sabor deben tener masa, a diferencia de los del Modelo Estándar, que son completamente sin masa, como los fotones, y por lo tanto viajan a la velocidad de la luz. Hay una especie de relación de incertidumbre masa/sabor. Pero también podrían no tener masa, la verdad que todavía se barajan distintas alternativas para hacerlos encajar en el "nuevo" Modelo Estándar. Sólo los experimentos o las observaciones astrofísicas podrán ir decantando las posibilidades.

Sednitos en el espacio

New Horizons ya nos ha mandado las primeras imágenes de Plutón y sus satélites. Si todo va bien visitará uno o dos más de los misteriosos mundos del Cinturón de Kuiper-Fernández en las próximas décadas. ¿Y después? New Horizons comenzará la etapa interestelar de su exploración, como ya han hecho las Voyager.

Pero el sistema solar no se acaba ahí. Hay cuerpos en órbita alrededor del Sol mucho más allá del Cinturón K-F. Mundos que hacen que Plutón parezca un planeta interior. El primero en ser descubierto, en 2003, fue Sedna. Actualmente está a 86 unidades astronómicas del Sol, más o menos el triple que Neptuno. Pero su órbita es extremadamente ovalada, mucho más que la de Plutón, de manera que la mayor parte de su año está mucho más lejos, hasta casi 1000 unidades astronómicas. Para sorpresa de los astrónomos resultó que Sedna no estaba solo. En 2012 se descubrió 2012 VP₁₁₃ (todavía no tiene un nombre propio, pero le dicen Biden, por VP: Vice President), con una órbita similar. Y los astrónomos han analizado las órbitas de todos los objetos conocidos y han descubierto un puñado que, sin ser tan extremos, tienen características similares a Sedna y a Biden. Aquí están, estos son, los 13 ¡Sednitoooooos... en el Espaciooooo!

La órbita de Plutón está ahí dentro, pintada de azul, casi ni se ve. Todos estos mundos, los Sednitos, nunca se acercan al Sol más que 30 unidades astronómicas, y sus órbitas son tan estiradas que miden más de 150 unidades astronómicas. ¡De dónde salieron! La órbita de Sedna es tan inusal que actualmente es el objeto menos entendido del sistema solar. Y el hecho de que haya otros 12 (¡y posiblemente muchos más!) con características similares hace que uno sospeche que tienen un origen en común. ¿Cuál puede haber sido?

Oficialmente están clasificados como objetos del disco disperso, es decir, objetos como Plutón y similares, pero que por acción gravitatoria de Neptuno han sido dispersados a órbitas muy estiradas e inclinadas con respecto al plano que ocupan los planetas. Sin embargo los Sednitos nunca pasan suficientemente cerca de Neptuno como para haber sufrido esta dispersión. Es posible que el mecanismo que los puso donde están haya comenzado como una acción de Neptuno, seguida luego por algún otro mecanismo. Pero también podrían ser de otro origen...

La representación que hice en Celestia no permite apreciar lo parecidas que son las órbitas de los Sednitos. Aquí al lado he graficado tres de sus características orbitales. Para cada uno de los 13 he puesto: la excentricidad, que mide cuán ovalada es la órbita (cero es circular, 1 es tan estirada que directamente es una órbita abierta, que no regresa); la inclinación, con respecto al plano de las órbitas de los planetas (de 0 a 90 grados); y la más rara pero más significativa, el argumento del perihelio, que es un ángulo de 0 a 360 grados que dice para dónde apunta el eje largo del óvalo de la órbita. Aunque parece haber dos grupos (los que tienen argumento cerca de 360 y los que tienen argumento cerca de 0) hay que recordar que 0 y 360 son la misma dirección. Así que todas estas órbitas son óvalos muy estirados, apuntando todas para el mismo lado y con la misma inclinación, como si fueran los pétalos de una flor empujados por un tremendo ventarrón.

Un grupo de astrónomos (los que bautizaron a la familia como Sednitos) ha propuesto una idea que parece loca pero plausible: Sedna y los Sednitos podrían venir de otra estrella. ¡Chan! Ya hemos contado que el Sol debe haber nacido en un cúmulo de estrellas. Durante las etapas iniciales de formación estas estrellas estaban bastante juntas y podrían haber pasado muy cerca, cada una con sus proto-sistemas planetarios. Durante estos encuentros cercanos podrían haber intercambiado protoplanetas: algunos del Sol habrían ido p'allá, mientras que algunos de la otra estrella habrán venido p'acá. Es similar a otra promiscuidad astronómica que hemos contado: el intercambio de estrellas en sistemas binarios. Los cálculos muestran que una estrella pasando a algunos cientos de unidades astronómicas del Sol nos dejaría de regalo una familia de planetas con órbitas parecidas, todas inclinadas de la misma manera y apuntando para el mismo lado, tal como los Sednitos.

El telescopio espacial Gaia seguramente descubrirá más Sednitos y, tal vez, incluso a la estrella hermana del Sol. ¿Estarán allí los planetas solares robados? Curiosamente el escenario más probable, según calculan, es que la otra estrella haya tenido una masa inicial de 1.8 masas solares. En tal caso debe haber envejecido más rápido que el Sol. Y ya debe haber perdido la mayor parte de su materia convirtiéndose en una estrella enana de 0.6 masas solares. Tal como hemos contado, cuando esto ocurre los planetas quedan libres y salen escapados de su estrella. Planetitas hermanos de la Tierra, nacidos de la misma nube y transplantados a otro sol, podrían estar errando, oscuros y helados, por el espacio interestelar. ¡Pobrecitos!

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El artículo donde leí sobre este posible origen de los Sednitos es: How Sedna and family were captured in a close encounter with a solar sibling, de Lucie Jílková et al., Mon. Not. R. Astron. Soc. (accesible gratis en http://arxiv.org/abs/1506.03105).

Nota para despistados: el nombre de la nota remite a un famoso sketch de El Show de los Muppets: Cerditos en el Espacio.

Messier 30

Hace un año fotografié, desde el balcón de casa, el notable cúmulo globular Messier 30, en la constelación de Capricornio. Creo que fueron unas pruebas con un nuevo sistema de guiado, porque no es una imagen de gran calidad. Son apenas 20 minutos de exposición, sin calibración oscura. Recién el mes pasado se me ocurrió procesarlas, y la verdad que está bastante bien. Así brilla Messier 30 junto a 41 Capricorni, una estrella de quinta magnitud, de tipo G como el Sol pero más grande:

¿Por qué notable? Messier 30 es uno de los casos más dramáticos de colapso de núcleo: el destino que sufren algunos cúmulos globulares en los que, por mecanismos no del todo desentrañados, más o menos la mitad de sus estrellas terminan apretadísimas en una región compacta. ¿Cuánto? La mitad de las estrellas de Messier 30, unos 80 mil soles, ocupan un volumen como de acá a Sirio. En nuestra región de la Galaxia en ese volumen hay una, dos, tres, cuatro... cinco. Cinco estrellas. Versus 80 MIL. Muchas de estas estrellas terminan fusionadas unas con otras, lo que las rejuvenece y azula. Se llaman rezagadas azules, y ya hemos hablado de ellas. Por supuesto tiene también algunas gigantes rojas, y varias de ellas se ven en mi foto.

Messier 30 es también inusual por su órbita. Se encuentra a 26 mil años luz de nosotros, como el centro de la Vía Láctea y más o menos en la misma dirección, pero 45 grados hacia el sur del plano del disco de la galaxia. Y gira alrededor del centro de la Vía Láctea de manera opuesta al resto de las estrellas. Por esta razón se sospecha que es en realidad el núcleo desnudo de una galaxia fagocitada por la nuestra, algo que también ya hemos comentado. El hecho de que sea extremadamente antiguo (13 mil millones de años) parece apoyar la misma hipótesis.

El trabajo que argumenta a favor del origen extragaláctico de NGC 7099 es Accreted versus In Situ Milky Way Globular Clusters, de Forbes y Bridges (arxiv.org/abs/1001.4289).