La supernova olvidada

Hace mucho tiempo, en una galaxia muy, muy cercana...

¡Uy, no! ¡otra nota de Star Wars! Tranquilos: dice "cercana". Se trata de una vieja conocida, una de las galaxias magníficas del hemisferio austral: Centaurus A (NGC 5128). La luz de sus millones de soles partió en viaje intergaláctico hace 12 millones de años. Es mucho tiempo, pero aun así Centaurus A es una de las galaxias más cercanas a la nuestra. En el año 2013 le hice una linda foto, que recientemente reprocesé y quería compartir aquí. En lo que dura un partido de fútbol mi cámara registró pacientemente cada añejo fotón, mientras el telescopio seguía el lento camino de la galaxia en el cielo del otoño. Bajenlá, que está en HD:

Vale la pena recordar que todas las estrellas individuales de esta foto pertenecen a la Vía Láctea. Centaurus A aparece como una nube de estrellas indiferenciadas, surcada por una brecha oscura de polvo interestelar y luz enrojecida de las estrellas de adentro. Es una galaxia peculiar, como ya hemos comentado. Una galaxia que se comió a otra, y todavía la está digiriendo...

Bueno, en esa foto del 2013 todas las estrellas individuales son de la Vía Láctea. Pero hace 12 millones de años una de las estrellas gigantes de Centaurus A dijo: hasta aquí llegó mi amor. Millones de años convirtiendo hidrógeno en helio. Cien mil años transmutando helio en carbono y oxígeno, cien años fabricando neón, un añito haciendo magnesio y sílice... hasta que, en un día, todo el sílice se convierte en hierro, ay ay ay ¡BANG! En una fracción de segundo el núcleo de la estrella (una esfera de hierro más pesada que el Sol) colapsa bajo su propio peso porque, rarezas de la física nuclear, el hierro es incapaz de fusionarse, fijate un poco. Al colapso sigue una explosión tan intensa que puede verse desde el otro lado del universo.

Doce millones de años después, el 8 de febrero pasado, un aficionado australiano hace una foto de la galaxia y descubre la estrella nueva. Justo era feriado así que no perdí tiempo y el 9 la fotografié. Ahora la muestro, no sin advertir que no es fácil distinguirla. Notarán que hay una estrella de la Vía Láctea justo superpuesta a la franja de polvo de Centaurus A. La supernova está muy, muy cerquita, y en mi foto apenas se la distingue. Empiezo con ésta, donde puse un recuadro con un zoom sobre ambas estrellas:

La supernova se ve como un granito coloradito pegado a la estrella blanca. Parece que la estrella explotó bien dentro de la nube de polvo, lo cual atenuó y enrojeció mucho su brillo (como ver el Sol detrás de un incendio). Como tenía la foto de 2013 pude hacer una comparación:

Y también una comparación animada:

Centaurus A es una de las galaxias más estudiadas del cielo, así que rápidamente identificaron la estrella precursora de la explosión en fotos anteriores. También en seguida se analizó su espectro, clasificándola como un tipo muy raro de supernova, llamado IIb (se dice "dos be"). ¿Neutrinos? Por ahora, ni noticia. Si me entero de algo interesante ya lo contaré.

En esta página dedicada a SN2016adj pueden ver otras imágenes, algunas mejores que la mía. La del descubrimiento es la de Peter Marples, y hay varias de "predescubrimiento", como suele ocurrir. Parece que la supernova ya estaba allí a fines de enero. En imágenes de esta semana obtenidas por Eric González, del Observatorio de La Punta, ya no se ve la supernova. Si bien la observación fue difícil por la proximidad de la otra estrella, la fotografía era perfectamente posible con equipo aficionado y exposiciones de un par de minutos o menos, inclusive desde una ciudad. Sólo hacía falta un buen telescopio y un foco y un seguimiento impecables, ya que la separación entre la supernova y la vecina es de apenas 4". Mariano Ribas comentaba esta semana su sorpresa de que, a pesar de ser una supernova tan cercana y en una galaxia tan marketinera, haya tenido tan poca prensa o, siquiera, repercusión entre los aficionados australes (por eso el título de la nota). La supernova anterior en Centaurus A fue en 1986. Será cuestión de esperar otros 30 o 40 años. Para llegar en forma, esta semana empecé a ir al gimnasio.

¡Si tienen fotos de SN2016adj, pongan links en los comentarios así las vemos!

Sobre la destrucción de Alderaan

Vi el nuevo episodio de Star Wars: The Force awakens, y esperé un tiempito para escribir esto.

¡Alerta! Habrá ínfimos spoilers a continuación.

No soy muy quisquilloso con las películas que me caen bien. Así que no me afecta demasiado que una cartonera subalimentada sea súper atlética y fuerte, entienda droid y wookiee, conozca de memoria las especificaciones técnicas del Millennium Falcon y lo pilotee mejor que Han Solo. Y The Force awakens me cayó bien de entrada, entre otras cosas por lo siguiente.

Se ve desde el principio que el Imperio perdió la guerra después de la Batalla de Endor. ¿Y quién gobierna la galaxia? ¿Una Segunda República? No me queda claro, y la situación parece más bien caótica. Tal vez los Rebeldes ganaron la guerra pero perdieron la paz. ¿Por qué habría sido? Resulta que en diciembre había leído un estudio casi-científico sobre los problemas económicos que habría acarreado la construcción de las dos Death Stars y su destrucción en los episodios IV y VI (más detalles al final, para no distraer). Hmm, me dije, qué bien. Claro que después aparece la nueva versión de la Death Star, la Starkiller Base. Naaaa. Si la economía galáctica colapsó con dos Death Stars, ¿de dónde sacaron la plata los piratas éstos de la First Order para la Starkiller Base?

Entonces me acordé de un cálculo que vi hace años y me dio ganas de contarlo aquí. ¿Se puede realmente destruir un planeta como Alderaan, como vemos en Episodio IV? No aniquilarlo. No esterilizarlo. Destruirlo en pedazos, como hace la Death Star. ¿Puede hacerse eso con un arma? ¿Cuánta energía se necesita?

Preguntémonos primero qué mantenía unidos los pedazos que vemos volar en la explosión. Obi-Wan Kenobi ya lo dijo: "It surrounds us and penetrates us; it binds the galaxy together". Claro: la Fuerza. Ojo, no la fantasía de los midiclorians. La verdadera fuerza que nos rodea, penetra y liga la galaxia: ¡la Fuerza de la Gravedad!

Curiosamente el cálculo es muy sencillo. No voy a poner los detalles aquí, pero se los pueden pedir a cualquier alumno de Física I. La idea es la siguiente: cuando se trata de gravedad, el todo es menos que la suma de las partes. ¿Cómo? Es así: dos pedazos de materia se atraen uno al otro. En esa atracción hay energía, una energía gravitatoria que aumenta con la distancia entre ellos. Por eso levantar un peso cuesta energía: uno tiene que proveer esa energía gravitatoria al objeto para alejarlo de la Tierra. Cuando los dos cuerpos están en contacto formando uno solo, esa energía gravitatoria es mínima: el todo es menos que la suma de las partes. Para separarlos hay que darles energía, sacándolos de ese confortable mínimo de energía gravitatoria.

Para destruir el planeta, con todos sus pedazos dispersándose como vemos en Alderaan, hay que proveer esa energía de separación a todos y cada uno de los pedazos. Supongamos, por simplicidad, que el planeta es una esfera de densidad uniforme. En este caso esa energía, que se llama energía de ligadura gravitacional, resulta ser (si no ves bien la fórmula porque recibís la nota por email, andá a leerla al navegador...):\[U=\frac{3GM^2}{5R},\]donde G es la constante de gravitación, M la masa del planeta y R su radio. Suponiendo que Alderaan es más o menos como la Tierra, da:\[U\approx \frac{3\times 6.7\,10^{-11} Nm^2/kg^2 (6\,10^{24} kg)^2}{5\times 6.5\, 10^6 m}\approx 2.4\, 10^{32} J.\]

¡A la pucha! ¡Diez a la 32 joules (se pronuncia yuls)! Hace algunos veranos medimos y calculamos aquí mismo la energía que produce el Sol, y nos dio del orden de 10²⁶ watts, o sea joules por segundo. ¡Así que U es la energía que produce el Sol en 7 días! ¿Qué fuente de energía podría usar la Death Star para producir en un segundo la energía que produce una estrella en una semana? Ehhh... uhhh... ¿una estrella? Precisamente eso es lo que vemos en The Force awakens: la Starkiller Base se "enchufa" directamente a una estrella. Me pregunto: ¿habrán hecho el cálculo? Y me respondo: no creo.

En la película vemos que la Death Star transmite esa tremenda energía en forma de un rayo de luz, lo cual produciría un fuerte retroceso de la Estación, a velocidades astronómicas, cosa que no ocurre. ¿Habrá una alternativa a usar un rayo? Pensemos, ¿de dónde sale la energía del Sol? Sale de la fusión del hidrógeno en helio. Cada segundo el Sol convierte 700 millones de toneladas de hidrógeno en helio. Pero no produce 700 millones de toneladas de helio. Produce 696 millones de toneladas. La diferencia, unos 4 millones de toneladas de materia, de-sa-pa-re-cen. Bueno, no desaparecen, se convierten en energía solar, los 10 a la 26 joules que medimos. Para el "trabajito" en Alderaan la Death Star necesitaría la fusión de 700 billones (millones de millones) de toneladas de hidrógeno. Parece mucho, pero la verdad que la fusión nuclear es una manera bastante ineficiente de convertir materia en energía. ¿No habrá una manera más eficiente, más directa, de hacerlo?

Sí, hay: antimateria. La antimateria existe, no es ciencia ficción. Partículas subatómicas de antimateria se producen habitualmente en los experimentos de colisión de partículas y en los PET scanners de los hospitales, y hasta se han fabricado con éxito átomos de antihidrógeno.

El problema de la antimateria es contenerla, porque se aniquila por completo con una cantidad equivalente de materia apenas se tocan. Ambas desaparecen, convirtiéndose íntegramente en energía obedeciendo la famosa fórmula E = m c². Imaginemos que los ingenieros nucleares del Imperio han resuelto su manipulación segura. ¿Cuánta antimateria se necesita para proveer los 10 a la 32 joules que calculamos? Por empezar, el propio planeta provee la mitad de la materia necesaria. Entonces: 

\[2.4\, 10^{32} J = 2m\,c^2,\]que da m = 10¹⁵ kg. Un billón de toneladas. Todavía parece mucho, pero es la masa de un pequeño asteroide de 5 km de diámetro (como Steins, visto desde Rosetta aquí en la foto). Para destruir un planeta, que pesa mil millones de veces más, no está mal. Si la Death Star pudiera fabricar, almacenar y lanzar un pequeño antiasteroide, el planeta resultaría destruído.

Luke, nunca subestimes el poder del lado anti de la materia.

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Nota sobre lo del principio. A principios de diciembre apareció, en el repositorio de preprints que usamos prácticamente todos los físicos y matemáticos del planeta para distribuir nuestro trabajo inclusive antes de que salga publicado en las (caras) revistas especializadas, un sesudo estudio económico sobre el universo Star Wars. El autor calcula de manera parsimoniosa el costo de las dos monstruosas Death Stars, así como el impacto que su construcción (y su destrucción, en los Episodios IV y VI) puede tener en la economía galáctica. Según sus estimaciones, la ayuda económica necesaria para evitar el colapso sería de al menos el 20% del PBG (el producto bruto galáctico, entiendasé). Rebusqué por ahí, y el bailout que puso el Tesoro de Estados Unidos para rescatar la crisis de los Savings & Loans fue del 0.1% anual, distribuído en 10 años. El autor concluye que, tras los festejos de Endor, aún ganando la guerra la Alianza Rebelde enfrentaría una segura catástrofe económica de proporciones (ejem) astronómicas. El trabajo es It´s a trap: Emperor Palpatine's poison pill, de Z Feinstein.

Qué buena onda

Hace mucho tiempo, en una galaxia muy, muy lejana, a 1300 millones de años luz en dirección de la constelación del Pez Volador, dos agujeros negros, de 36 y 29 masas solares, en órbita mutua, terminaron cayendo uno sobre el otro formando un nuevo agujero negro, de 62 masas solares. El colosal choque, a la mitad de la velocidad de la luz, produjo un tremendo sacudón en el espacio-tiempo que se llevó hacia afuera, en forma de ondas gravitacionales, las 3 masas solares restantes convertidas en energía en una fracción de segundo, con un pico de potencia equivalente a 50 veces el brillo de todas las estrellas del universo. Todo el evento duró menos de medio segundo.

Mil trescientos millones de años después, el 14 de septiembre de 2015, la onda gravitacional pasó por la Tierra. Y el Observatorio LIGO la detectó. Casi 100 años después de que Einstein, en junio de 1916, predijera que las distorsiones gravitatorias en el espacio-tiempo debían propagarse en forma de ondas a la velocidad de la luz.

De todas las predicciones de la Relatividad General, la existencia de ondas gravitacionales pareció desde el principio demasiado difícil de verificar. Por un lado está la cuestión de que la ecuación de ondas surge como una simplificación de las ecuaciones completas del campo gravitatorio. Por otro lado, los cálculos de su intensidad daban valores tan pequeños que los obstáculos tecnológicos para detectarlas parecían insuperables.

Durante 40 años, de todos modos, un grupo de físicos desarrollaron los instrumentos necesarios. Hace 25 años sus esfuerzos se condensaron en el observatorio LIGO, cuyas primeras dos décadas fueron infructuosas a sabiendas, pero que sirvieron para convertirlo en Advanced LIGO, el observatorio actual. En septiembre de 2015 lo encendieron, todo andaba bien, y antes de que dijeran "¡Ya!" para empezar a medir oficialmente, el universo les regaló una señal nítida: la fusión de los dos agujeros negros que contamos, exactamente tal como los cálculos teóricos predecían. En la conferencia de prensa del jueves, me parece, no hicieron suficiente hincapié en la extraordinaria exactitud del ajuste de la curva teórica:

¿Cómo lo hicieron? En una simpática vuelta de tuerca, el mismo instrumento ha jugado un rol crucial en el comienzo y el final de la centenaria historia de la Relatividad. LIGO es un interferómetro de Michelson. Albert Michelson lo inventó en la década de 1870 para medir la velocidad de la luz, y en un famoso experimento en colaboración con Edward Morley intentaron medir con él la velocidad de la Tierra con respecto al éter que, se conjeturaba, era el medio en el que se propagaba la luz. El resultado negativo de su experimento fue una de las claves para que Einstein propusiera, en 1905, que la velocidad de la luz es siempre la misma, independiente del movimiento de la fuente o del observador. A partir de este postulado formuló la Teoría de la Relatividad Especial. Diez años y mucho rompedero de cabeza después revolucionó la Física con la Relatividad General, de la que ya hemos hablado.

Cien años después otro interferómetro de Michelson, dos mejor dicho, que forman en conjunto el Observatorio LIGO, sirvió para consagrar una vez más la extraordinaria teoría. La precisión de la medición es pasmosa. LIGO tiene dos brazos formando una L, de 4 km de largo (el aparato de Michelson medía un metro). Un láser se propaga incesantemente desde el vértice hasta los extremos, donde hay unos espejos que lo mandan de vuelta. Combinando la luz de los dos brazos se puede medir su longitud, o mejor dicho la diferencia de sus longitudes, que resulta perturbada cuando la distorsión del espacio-tiempo lo atraviesa. ¿Con cuánta precisión se mide esta longitud? No hay manera fácilmente entendible de decirlo: en los cuatro kilómetros del instrumento, es una precisión de un milésimo del tamaño de un protón. Usando una analogía astronómica, es como medir la distancia a Alfa Centauri con la precisión de un cabello humano.

Quiero agregar que una de las principales científicas de este extraordinario instrumento, hoy en día su spokesperson, y que el jueves integró el panel del anuncio, es Gaby González, física argentina del FAMAF de Córdoba. Todos los físicos argentinos estamos muy contentos por ella.

¿Qué ocurrirá ahora? Las ondas gravitacionales se convertirán en una nueva ventana de observación astronómica. LIGO no ha alcanzado todavía su sensibilidad máxima prevista, y existen otros instrumentos similares en construcción o proyectados, en tierra y en el espacio. Un enorme rango de fenómenos astronómicos, hoy en día conjeturados, podrán ser observados directamente: colapsos de agujeros negros como éste, así como de sistemas binarios de estrellas de neutrones y de enanas blancas, detonaciones de núcleos de supernovas, y quién sabe qué más. Cada vez que se ha diseñado un nuevo instrumento para observar una nueva región del espectro electromagnético se descubrieron nuevos fenómenos. Las ondas gravitacionales son directamente todo un nuevo espectro para explorar.

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Visiten la galería de imágenes y videos de LIGO, de donde saqué las imágenes: https://www.ligo.caltech.edu/gallery.
La figura de la señal de LIGO es del artículo aparecido el jueves: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, BP Abbott et al. Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016) (gratis).
Mencioné las dudas iniciales, inclusive del propio Einstein, de que las ondas gravitacionales exisitieran. Esa duda desapareció en la década de 1970, cuando se observó el decaimiento de la órbita de un púlsar binario, en completo acuerdo con la radiación gravitacional de la relatividad general. Hulse y Taylor ganaron en 1993 el Premio Nobel de Física por su descubrimiento e interpretación. Hasta hoy, de todos modos, las ondas gravitacionales nunca habían sido observadas directamente, con una "antena", por decirlo análogamente a las electromagnéticas.

Sigue brillando

Una de las Tres Marías sigue brillando

Se está apagando, pero sigue brillando

Andrés Calamaro, Tres Marías

Hay una cuestión que surge en cada charla de divulgación, en cada observación con público: que las estrellas que vemos en el cielo nocturno tal vez ya no existen. Que tal vez se han apagado durante el tiempo que su luz demoró en llegarnos. Y siempre me da un poco de escrúpulo refutarla. Me da la impresión de que quien lo dice lo hace con una carga emocional, como si supiera un secreto del universo y se sintiera maravillado. Esa sensación de conexión cósmica es valiosa, y por eso me da pena develar la verdad. La pura verdad:

Las estrellas que vemos en el cielo siguen brillando tal cual las vemos.

La razón es trivial: si bien es cierto que la luz se ha tomado su tiempo en llegar, no ha sido taaaaaanto tiempo. Y las estrellas viven muuuuy lentamente. Sus vidas transcurren en miles de millones de años. Inclusive las más feroces gigantes viven un par de millones de años. ¿Entonces, cuándo emitieron la luz que veremos esta noche? Preparé esta lista a manera de ejemplo, usando estrellas familiares del verano austral.

Estrella	La luz que vemos hoy partió en...	Cuando por aquí...
Los Punteros, la Cruz del Sur y otras estrellas australes:
Proxima	Octubre de 2011	La UE condona el 50% de la deuda griega.
Alfa Centauri	Agosto de 2011	Primeras PASO en Argentina.
Hadar	1692	Juicio de las Brujas de Salem, en Massachusetts.
Acrux	1506	Muere Cristóbal Colón.
Mimosa	1550	Girolamo Cardano estudia una lente convergente, e inventa la cámara fotográfica 300 años antes de que sirva para algo.
Gacrux	1896	Se estrena La Bohème, de Puccini.
Eta Carinae	5500 a.C.	En la India comienza a cultivarse el algodón.
Achernar	1947	Bernardo Houssay gana el Premio Nobel de Medicina.
Orión y el Toro:
Rigel	1400	La casa de los Medici se hace fuerte en Florencia.
Betelgeuse	1374	Eduardo III de Inglaterra le concede a Chaucer un galón de vino diario de por vida, en recompensa por sus trabajos artísticos.
Alnilam	14	Muere Augusto, primer Emperador Romano; su hijo Tiberio lo sucede.
Alnitak	1629	Nace Christiaan Huygens.
Mintaka	814	Carlomagno muere en Aachen.
Aldebarán	1956	Se estrena Moby Dick, de John Huston, con Gregory Peck como Ahab.
Las dos estrellas más brillantes:
Sirio	2007	Steve Jobs anuncia el primer iPhone.
Canopus	1942	En un gimnasio de la Universidad de Chicago, Enrico Fermi pone en marcha el primer reactor nuclear.
Los Mellizos:
Cástor	1967	Gabriel García Márquez publica Cien años de soledad.
Póllux	Abril de 1982	Comienza la Guerra de Malvinas.
La estrella más lejana visible a simple vista:
x Carinae	6786 a. C.	En Europa se domestican los cerdos.
La galaxia más cercana:
Nube Mayor de Magallanes	160000 AP	La mujer Homo sapiens antecesora de todos los humanos actuales vive en África oriental.
El objeto más lejano visible a simple vista:
Galaxia de Andrómeda	2500000 AP	El género Homo aparece en África oriental; inventan la tecnología de las herramientas talladas en piedra.

Las últimas dos líneas de la tabla no son estrellas sino galaxias, más lejanas que cualquier estrella de la Vía Láctea. La Gran Nube de Magallanes es la galaxia "grande" más cercana, y una de las más hermosas de observar. La luz de sus estrellas partió cuando los primeros humanos modernos medraban en África. Inclusive la luz de la famosa supernova SN1987A es de esa época, si bien nos llegó cuando Soda Stereo ya había sacado 3 discos.

Por último puse la gran Galaxia de Andrómeda, famosa pero difícil de observar desde el hemisferio sur. Es una galaxia espiral similar a la nuestra. La luz que vemos partió hace dos millones y medio de años, y en ese tiempo sí que el panorama estelar puede ir cambiando. Pero vista como un todo, como galaxia, inclusive dos millones y medio de años son muy poco. Una galaxia como Andrómeda completa un giro en más de 200 millones de años, así que los dos millones y medio transcurridos desde que salió la luz que vemos son (casi) nada. Las cefeidas observadas allí por Hubble hace 100 años deben seguir pulsando lo más panchas.

Por supuesto, el universo es mucho más grande que nuestro vecindario galáctico. Con telescopios y cámaras vemos galaxias que están a cientos y hasta miles de millones de años luz. Las galaxias más lejanas, ciertamente, tienen poblaciones estelares y estructuras muy distintas que las de nuestras vecinas. Muchas de sus estrellas (pero ni por asomo la mayoría) ya no existen.

Las Tres Marías son Alnitak, Alnilam y Mintaka, de abajo hacia arriba en esta foto. No sé a cuál de ellas se refiere Calamaro, pero las tres siguen brillando.

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La foto muestra la mayor parte de la constelación de Orión, con la distintiva Betelgeuse anaranjada y las Tres Marías. Junto a Alnitak se distingue la nebulosidad que incluye a la Flama y la Cabeza de Caballo (ambas visibles en la versión de resolución completa). En la Daga, a la derecha de las Tres Marías, se ve la famosa Gran Nebulosa de Orión y otras nebulosidades. Entre Betelgeuse y las Tres Marías se alcanza a ver una tenue nebulosidad roja que se extiende en arco hacia abajo y a la derecha: es el Bucle de Barnard. La foto fue tomada en el Anfiteatro del río Limay, con la Canon T3i en mi flamante SkyTracker de iOptron.

Univers-O-Matic

El Univers-O-Matic está alojado ahora en una página propia dentro de En el Cielo las Estrellas. ¡Usalo para hacer tu propio modelo a escala del universo! Encontralo siempre entre los menúes de aquí a la derecha, abajo del archivo y de los links a páginas que recomiendo. Hoy por hoy encontrarás:

• Univers-O-Matic: Una calculadora de modelos a escala del universo.
• Mi charla en TEDxBariloche.
• El planisferio celeste: un mapa del cielo a toda hora, cualquier día del año, listo para imprimir, armar y usar.
• En el Cielo las Estrellas en video: una charla de una hora que grabamos hace unos años en el Balseiro.
• Apogeos y perigeos lunares: Una calculadora de Superlunas y Minilunas, así no te perdés ninguna.

Aprovecho para embeber aquí el video a mi charla TEDxBariloche, que me parece no había linkeado en el blog...