sábado, 4 de julio de 2020

El cielo en 3D

Como autor de un libro sobre la historia de la paralaje estelar, me hubiera encantado participar en este proyecto. El robot New Horizons, que exploró Plutón en 2007 y Arrokoth en 2019, convocó a astrónomos de todo el mundo a fotografiar, simultáneamente con ellos, dos estrellas cercanas. New Horizons se encuentra actualmente a 7 mil millones de kilómetros de la Tierra. Al tomar fotos del mismo campo estelar, con cámaras separadas por semejante distancia, puede verse el cambio de posición de las estrellas más cercanas con respecto al fondo lejano. Es como cuando vemos cambiar de posición nuestro pulgar al mirar alternadamente con uno y otro ojo. Este fenómeno se llama paralaje y su medición cuidadosa permite calcular la distancia (al dedo, o a la estrella).

New Horizons eligió para esta campaña dos estrellas cercanas, Proxima Centauri y Wolf 359. Proxima es, a 4.2 años luz, la estrella más cercana al sistema solar. Y Wolf 359, a 7.9 años luz de distancia, también es una estrella muy cercana (aparte de ser el escenario de una batalla crucial contra los Borg, una especie de Cancha Rayada de Star Trek). Las fotos debían tomarse el 22 y 23 de abril, simultáneamente desde la Tierra y desde los confines del sistema solar. Lamentablemente el mal tiempo de Bariloche me impidió participar, pero muchos astrónomos aficionados lo hicieron, así como algunos de los observatorios profesionales, los que no están cerrados por la pandemia de COVID-19. Este gif muestra Proxima tal como se la fotografió desde New Horizons y desde el Observatorio Siding Springs, Australia.

Las imágenes también pueden combinarse para formar un poderoso efecto estereoscópico. Hay dos maneras de hacer esto: para observar con los ojos cruzados o paralelos. En el sitio de New Horizons hicieron ambas. Esta es la versión de ojos cruzados, que a mí me resulta más fácil:


¿Pueden ver a Proxima flotando delante del fondo estrellado? Alguna gente prefiere la versión paralela: hay que relajar la vista, como mirando al infinito, para formar la imagen tridimensional mirando con el ojo izquierdo la imagen izquierda y con el ojo derecho la imagen derecha. O usar un aparato como este que me regaló Brian May. Esta es la de Wolf 359:


Vale la pena decir que se trató de una campaña de extensión pública de la ciencia. No tiene mayor valor científico medir la distancia a estas dos estrellas de esta manera. Hoy en día hemos mapeado en 3D más de mil millones de estrellas, muchas de ellas con enorme precisión, con instrumentos específicamente diseñados para hacerlo, como los satélites Gaia e Hipparcos. Igual, me hubiera gustado contribuir con mi fotito. Si participaste, e hiciste tu foto estereoscópica, ¡dejá el link en los comentarios así te visitamos!


Las imágenes son de New Horizons, tomadas de la página de resultados de la campaña de paralaje. Salvo la de mi dedo, obvio. En Argentina, la campaña estuvo coordinada por Claudio Martínez, de Astroturismo.

Escribimos Proxima, sin acento, porque es en latín. Pero también vale escribir su nombre en castellano, con acento. Es como decir Centaurus o Centauro, pero aclaro porque en el caso de Proxima parece un error de ortografía.

sábado, 27 de junio de 2020

El Enterprise y el quasar

Captain's log, stardate 2821.5. En route to Marcus III with a cargo of medical supplies. 
Our course leads us past Murasaki 312, a quasar-like formation. 
Big, undefined: priceless oportunity for scientific investigation.
Capt. James T. Kirk, The Galileo Seven, Star Trek

Fue en el capítulo 16 de la primera temporada de la serie original, emitida en 1967. Desde el puente del Enterprise el quasar (ya saben: cuéisar) se veía así.

Los primeros dos quasars, 3C 48 y 3C 273, fueron descubiertos a fines de los años 50 durante un relevamiento de radio de todo el cielo usando el gran radiotelescopio de Jodrell Bank, en Inglaterra, que fue durante muchas décadas el mayor radiotelescopio orientable del mundo (la designación 3C corresponde al catálogo Third Cambridge que compilaron, publicado en 1959). Eran fuentes de radio muy compactas, similares a estrellas, pero sin una contraparte visible. Les empezaron a decir quasi stellar radio sources, QSRS, que si uno lo dice rápido se convierte en quasars.

En 1960 Allan Sandage de Monte Palomar (uno de los astrónomos más influyentes del siglo XX), junto con el radioastrónomo Thomas Matthews, lograron identificar en la posición de 3C 48 un objeto visible, de magnitud 16 y de aspecto estelar rodeado de una tenue nebulosidad. Su espectro mostraba líneas de emisión anchas en longitudes de onda inusuales. En 1962 Maarten Schmidt de Caltech, también con Matthews, logró un espectro de 3C 273, también inusual pero con las líneas en otras posiciones. Schmidt se pasó un año mirando el espectro, hasta que se dio cuenta de que cuatro de las líneas parecían ser de la serie de Balmer del hidrógeno, las β, γ, δ y ε, pero estiradas un 16%. Consultó con John Oke de Mount Wilson, que había hecho un espectro infrarrojo, y encontraron la línea roja α (la famosa H-alpha, para los aficionados) escondida en el infrarrojo, también corrida 16%. Cuando buscaron algo similar en 3C 273 encontraron el espectro del hidrógeno corrido un 37%. Semejantes corrimientos al rojo delataban velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo, algo imposible para cualquier estrella de la galaxia. Todos estos resultados se publicaron simultáneamente en Nature en 1963, en cuatro papers consecutivos.

Un corrimiento al rojo tan intenso se podría producir de tres maneras. Podía ser un efecto relativista en objetos muy compactos, con una gravedad muy intensa. Pero el ancho de la líneas espectrales no era compatible con esta explicación. O podían tener una velocidad enorme (más del 15% de la velocidad de la luz, impensable a menos que fueran flotas alienígenas con el pedal warp a fondo). La explicación más lógica era que fuesen extragalácticos, extremadamente lejanos, y que su redshift fuera cosmológico, debido a la expansión del universo (no tan aceptada hace 60 años como hoy). El principal inconveniente era su brillo óptico: a la distancia necesaria correspondía a cientos de veces la luminosidad de una galaxia grande.

Para 1965 se habían publicado 9 redshifts de quasars, comparables a los de los primeros dos. También en 1965 Sandage anunció el descubrimiento de una población de objetos parecidos a quasars, pero silenciosos en radio, con corrimientos al rojo aun mayores. ¿Qué eran estos objetos tan raros? En 1967 un artículo en Nature del Astrónomo Real Sir Francis Graham-Smith empezaba así:

Quasars create more problems than they solve. How can such small star-like objects emit such large quantities of energy? Why do their spectra show such anomalously high red-shifts? How are they related to radiosources and visible stars?

¡Quasars! Irresistibles, para Mr. Spock.

Un descubrimiento crucial llegó con los primeros telescopios de rayos X (el primer telescopio de rayos-X se llamó Uhuru, un nombre sorprendentemente similar al de la Teniente Uhura, la especialista en comunicaciones del Enterprise). Las observaciones de rayos X mostraban variaciones de intensidad en el término de días. Las galaxias no hacen eso, no pueden hacerlo. Fueran lo que fuesen, los quasars tenían que ser objetos pequeños, no más grandes que lo que la luz recorre en un día, o sea del tamaño del sistema solar. De otro modo no se podría ver una variación coherente de todo el objeto; unas partes se harían más brillantes que otras, y sus efectos se borronearían y cancelarían. A partir de la década del 70 se consolidó la imagen que tenemos ahora de los quasars como objetos complejos, formados por un disco de materia caliente, muy polvoriento, alrededor de un agujero negro gigante, con dos chorros de materia y radiación muy energéticas surgiendo en forma polar. Algo así:


Vistos desde distintas orientaciones estos objetos, gigantes con respecto a las estrellas pero pequeñísimos comparados con las galaxias que los alojan, explican los distintos tipos de quasars, blazars, BL Lac's, OVV's y todo tipo de AGN's (núcleos galácticos activos). En la versión remasterizada de Star Trek trataron de modernizar el aspecto de Murasaki 312, usando algo que parece sospechosamente la Gran Nebulosa de Orión con un agujero negro activo dentro:


En el capítulo entran al quasar 6 tripulantes a bordo del Galileo Seven: tres buzos azules, dos rojos y dos amarillos. ¿Quénes mueren? Fascinante.


El espectro de 3C 273 está tomado de este interesante artículo: Hazard et al, The sequence of events that led to the 1963 publications in Nature of 3C 273, the first quasar and the first extragalactic radio jet, Publications of the Astronomical Society of Australia 35:e006 (2018).

Las imágenes de Star Trek son probablemente de ViacomCBS, aunque andá a saber. La versión artística de un quasar, ay, no me acuerdo de quién es. Para mí que es del ESO.

sábado, 20 de junio de 2020

El chorro de M87

Vos nacistes pa' chorro como yo pa' hacer versos.
Celedonio Flores, Chorro

Si estuviera a mil millones de años luz estaría catalogada como quasar (sean cool y digan cuéisar). O como objeto BL Lac: fuente de radio variable y polarizada, intensa radiación no térmica en todo el espectro... Pero está aquí nomás, la vemos con binoculares, a 53 millones de años luz de nosotros en el cúmulo de galaxias de Virgo. Así que Messier 87 es simplemente una galaxia. Bueno, es una galaxia extraordinaria: la más grande en nuestra región del universo, y aunque su tamaño es apenas mayor que el de la Vía Láctea, su masa es cientos de veces mayor. Tiene unos 12 mil cúmulos globulares, a comparar con los 150 de la Vía Láctea.


Pero la característica más notable de M87 es que en su núcleo tiene un agujero negro gigantesco, 4000 millones de veces más pesado que el Sol (mil veces mayor que el de la Vía Láctea, Sgr A*). Recientemente el Event Horizon Telescope logró fotografiarlo, o más precisamente fotografiar la materia supercaliente a su alrededor, una imagen que ingresó inmediatamente al Hall de la Fama de la Astronomía.

También hemos comentado que estas galaxias tienen enormes chorros relativistas de materia superenergética, moviéndose al 99% de la velocidad de la luz o más, que surgen de la interacción entre el agujero negro central (y su campo magnético) y la materia a su alrededor. En nuestra comprensión actual de su funcionamiento, la inclinación de estos chorros hacia nosotros explica los distintos tipos: quasars, blazars, BL Lac's, OVV's, FSRQ's, AGN's... El chorro de M87 apunta casi hacia nosotros, pero no exactamente. Fue descubierto en 1918 por Heber D. Curtis en el Observatorio Lick: "A curious straight ray... apparently connected with the nucleus by a thin line of matter." Se extiende 20 segundos de arco desde el centro de la galaxia (que mide 20 veces más), así que no sólo es muy pequeño, sino que está superpuesto a la parte más brillante de la galaxia. Existe un solo reporte de una observación visual antes de los 90s: Otto Struve lo vio con el telescopio de 100 pulgadas de Mt. Wilson (claro, aluminizado por Gaviola). No hay chance de verlo con mi telescopio de 20 cm. ¿Pero fotografiarlo? ¡Aaaahhh!

La resolución de mi cámara en el foco primario de mi telescopio es de 0.7" por pixel, así que el chorro debería ser perfectamente fotografiable. Desde el año pasado, cuando M87 saltó a la fama mundial, estuve intentando hacerlo. Lo más difícil es que queda enmascarado por el brillo de la galaxia, así que necesita una exposición corta. Pero no tanto, porque la magnitud del chorro es aproximadamente 15, mucho más tenue que el núcleo. Después de varios intentos, logré hacerlo desde el balcón de casa durante la cuarentena del COVID-19, en mi última chance de la temporada, durante la luna nueva de mayo:


¡Yupi! ¡Fotografié el chorro relativista! La imagen abarca como una Luna de ancho, medio grado. Reduje la resolución para ponerla en esta columna, pero puse un detalle al 100% para que se vea mejor (igual se ve en la imagen ancha, si se fijan, ¡descárguenla!). Se distingue claramente la parte más brillante del chorro, e incluso un poco más si uno tiene el ojo entrenado. El otro detalle muestra una foto a la misma escala tomada por el Telescopio Espacial Hubble (visual + IR). Vale la pena decir también que la galaxia es mucho más grande que lo que parece, ya que en estas fotos de 10 segundos sólo se ve el núcleo brillante. Calibrando la imagen en Cartes du Ciel se puede apreciar la escala de la galaxia entera (en rojo).

Debo decir que busqué otras fotos de aficionados y encontré algunas notables, especialmente ésta hecha por Astrojedi con un telescopio similar al mío. No sé por qué le quedó tan buena: tal vez una mejor cámara, o un sitio oscuro (yo fotografié desde el centro de Bariloche), o mejor seeing (que Bariloche, seguro), o mejor foco... O usó la Fuerza.


El chorro de M87 se extiende hacia el noroeste del centro de la galaxia, y aunque mide 5000 años luz de largo es pequeño comparado con la galaxia, y mucho más comparado con la distancia entre las galaxias del cúmulo. Sin embargo, curiosamente, apunta exactamente hacia la galaxia grande más cercana, M86. ¿Será una casualidad? Tal vez no, tal vez sea parte de un fenómeno dinámico que involucra al cúmulo de galaxias en su conjunto. Si nos fijamos solamente en las galaxias más grandes del cúmulo (las del catálogo Messier), vemos que están bastante alineadas en esa misma dirección. Correspondiendo a este eje principal del cúmulo tal vez hay campos magnéticos alineados, y tal vez haya una realimentación entre estos y el flujo de plasma que forma el chorro. No sé. Se los dejo para que lo piensen.

Hermano chorro, yo también
sé del escruche y de la lanza...
la vida es dura, amarga y cansa
sin tovén.
Carlos de la Púa, Hermano chorro 


La imagen del agujero negro de M87 es del Event Horizon Telescope. La imagen de M87 y su chorro (inset de la mía) es de NASA/ESA/STScI/HST. La imagen de M87 y su chorro hecha por Astrojedi está discutida en Cloudy Nights. Las cartas están hechas con Cartes du Ciel.

Denis Martínez, del Observatorio Tharsis en Cipoletti, compartió esta foto justo la misma semana que yo hice la mía. ¡Se pone de moda M87!

Al día siguiente de mi charla sobre el eclipse de Eddington me escribió Horacio Medina, que estuvo en la audiencia desde Tucumán, y me mandó la que hicieron con su hermano Eduardo. Está buenísima, vean el detalle del blob más brillante del chorro. El telescopio de los changos Medina también es de 20 cm, diseño Newtoniano F/5, con una cámara especializada muy popular. Recomiendo que no se pierdan el resto de sus fotos, son extraordinarias.
 

Las otras imágenes son mías, pero las presto.

Ah, y para los lectores de otras latitudes: en Argentina, un chorro es un ladrón.

sábado, 13 de junio de 2020

Las casilunas de la Tierra

Cuando comenté hace poco acerca de la nueva lunita de la Tierra, un asteroide capturado por nuestro planeta de manera transitoria, una lectora preguntó si se trataba de Cruithne. No, pero está relacionado, así que ha llegado la hora de hablar de Cruithne.

Cruithne es un asteroide cercano a la Tierra, grandecito, cuya órbita es muy peculiar. A pesar de que la forma de su órbita alrededor del Sol es muy distinta de la de la Tierra, tarda también 1 año en recorrerla. Se dice que está en una resonancia 1:1 con la Tierra. Probablemente tampoco sea una situación estacionaria, pero se sospecha que es mucho más estable que la de la lunita transitoria 2020 CD3.

Hice una peliculita mostrando el movimiento de Cruithne desde dos puntos de vista: en el sistema de referencia en el cual la Tierra orbita (similar al gif de aquí al lado), y en el que acompaña a la Tierra en su movimiento alrededor del Sol. Después de Cruithne muestro también otros asteroides con órbitas parecidas:



Como el período orbital de Cruithne es en realidad un poquito menos que 1 año, ese riñón que le vemos recorrer no se cierra, y poco a poco se va moviendo alrededor del Sol. A lo largo de cientos de años llegará a acercarse a la Tierra "por detrás". Habrá un intercambio de energía, Cruithne se frenará un poquito y la Tierra empezará a adelantarse. Así que a lo largo del tiempo el asteroide describirá una especie de herradura, que es el nombre que tienen estas órbitas. Un caso parecido, dos lunas en herraduras mutuas, es el de Jano y Epimetheo, satélites de Saturno, que ya conté una vez.


Alguien habrá notado que estas órbitas en herradura rodean los puntos de Lagrange L4, L3 y L5, que ya hemos comentado en ocasión de los asteroides troyanos. El asteroide 2010 TK7, que muestro en el video a continuación de Cruithne, tiene una órbita parecida pero que sólo rodea el punto L4. Así son las órbitas de los troyanos, ya que nunca los encontramos exactamente en los puntos L4 o L5. Se llaman órbitas  renacuajo (tadpole). 2010 TK7 es el único troyano conocido de la Tierra.

Finalmente, el video muestra tres asteroides en órbitas más raras todavía. Son parecidas a la de Cruithne, pero vistas desde la perspectiva de la Tierra el riñón que describen parece rodearnos, como si fueran satélites de la Tierra. Por supuesto que no lo son; son asteroides en órbitas muy excéntricas, que los llevan desde afuera a adentro de la órbita de la Tierra. También están en resonancia 1:1, y parecen dar vueltas a nuestro alrededor (un movimiento llamado libración). Estos asteroides se llaman cuasisatélites.

Curiosamente, la existencia de todas estas órbitas se había demostrado teóricamente mucho antes de que, a fines del siglo pasado, empezaran a descubrirse munditos que efectivamente las recorren. Conocemos un puñado, pero seguramente hay muchos más. Todos ellos pasan cerca de la Tierra, son muy fáciles de acceder (incluso más fácil que la Luna), y son buenos candidatos a ser visitados, o incluso colonizados, en algún futuro post-coronavirus.


El gif de Cruithne es de Wikipedia, usuario Jecowa (CC BY-SA), así como la figura de las órbitas en herradura, que es del usuario Jrknti (CC BY-SA), y la de la herradura que muestra los puntos de Lagrange (Public Domain). El video lo hice con Celestia.

Después de que Lagrange descubriera los co-orbitales en L4 y L5, y Poincaré el caos en el problema de 3 cuerpos, las órbitas herradura fueron descriptas por Ernest Brown en 1911, en un larguísimo paper del Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. En el mismo volumen Willem de Sitter publica un trabajo pionero (más largo aun) aplicando la Teoría de la Relatividad al problema gravitatorio (calcula incluso una precesión anómala, y muchas cosas más), y usa la palabra "general" para referirse al sistema de referencia no inercial, que tal vez haya inspirado a Einstein para designar su teoría, para la cual faltaban años. Es interesante ver que Einstein no era el único tratando de reconciliar la relatividad especial con la gravedad. A propósito, ¡el paper de de Sitter también empieza citando el problema de tres cuerpos de Poincaré!

sábado, 6 de junio de 2020

Al fondo del blazar

Hace poco conté sobre el extraordinario quasar (se dice cuéisar) PKS 0405-123, y mi exitosa fotografía, que para mí estableció un récord a 7 mil millones de años luz. Coincidentemente se publicó un artículo sobre otro quasar famoso, 3C 279. También es un blazar (se dice bléizar), que son quasars que apuntan con su chorro de materia y energía casi exactamente hacia nosotros. 3C 279 está un poco más cerca, a 5 mil millones de años luz, pero es mucho más tenue visualmente. Es famoso porque su señal fluctúa muy rápidamente, especialmente en radio, en una escala de minutos (es un OVV, ya que estamos digan ouviví). Y como está en la constelación de Virgo, como M87, el Event Horizon Telescope aprovechó para observarlo durante la campaña de observación que en 2017 produjo la primera imagen del agujero negro supermasivo en su centro, que ya hemos comentado.

3C 279, como M87 y como todos los quasars, es una galaxia activa: su agujero negro central está rodeado de un gran disco supercaliente de materia, que produce grandes cantidades de energía en todo el espectro electromagnético. De este disco surge un gigante chorro de materia moviéndose a casi la velocidad de la luz, que se puede ver con radiotelescopios, y que el EHT logró resolver de manera exquisita, probablemente hasta el disco que rodea al agujero negro.


En la imagen se ve que el chorro, que surge de la parte más brillante arriba a la izquierda, tiene una estructura de partes más y menos brillantes. En los sucesivos zooms que se muestran se ven detalles cada vez más pequeños, y en la imagen de la derecha, que es la de más resolución, se ve que la región brillante está elongada en una dirección distinta que la del resto del chorro. ¿Por qué? Los autores del trabajo especulan acerca de varias posibilidades. Por un lado, parece que lo que estamos viendo es en parte el disco de acreción, y en parte la base del chorro. Por otro lado, resulta que 3C 279 está apuntando su chorro muy exactamente hacia nosotros (la característica de un blazar), con un ángulo de apenas 2° (a 5000 millones de años luz, es una buena puntería). Así que lo vemos con una fuerte perspectiva, y lo que nos parece un brusco cambio de dirección puede ser en realidad un quiebre suave. No están seguros, o no se ponen de acuerdo porque son muchos:


La resolución de esta imagen es de unos extraordinarios 20 microsegundos de arco, comparable a la de Gaia, y es como ver una pelota de tenis en la Luna. A la distancia de 3C 279 esta resolución equivale a un poco menos de medio año luz, que son unas 800 veces el tamaño del agujero negro, cuya masa es de casi 1000 millones de masas solares.

Tan sorprendente como la foto es el hecho de que, a lo largo de la semana que duró la observación, esta enorme estructura se movió. Es interesante verlo en esta brevísima película, donde se aprecian bien las distintas estructuras, y al final se muestra el movimiento del jet:


La observación permite calcular que esa parte del chorro se mueve al 99,5% de la velocidad de la luz (¡casi el mismo porcentaje de coronavirus que mata el Lysoform!). Si uno lo lee en el paper dice que se mueve a 15 o 20 veces la velocidad de la luz, lo cual puede dejar perplejo a más de un relativista aficionado. Pero se trata de velocidades aparentes, de nuevo debidas a la perspectiva, que pueden resultar mayores que la de la luz. Tal vez algún día lo cuente con más detalle.

Las observaciones del Event Horizon Telescope recién están empezando. Ya nos han dado la imagen del agujero negro central de M87 y la del jet del blazar 3C 279, y cualquier día de estos nos mostrarán la de Sgr A*. Imagino un futuro fascinante para este telescopio del tamaño del planeta.



El paper es Kim et al., Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution, Astronomy and Astrophysics (2020). https://doi.org/10.1051/0004-6361/202037493. La nota de prensa está aquí.

La representación artística del quasar es de ESO/M. Kornmesser (http://www.eso.org/public/images/eso1122a/) CC-BY.

sábado, 30 de mayo de 2020

Espejito, espejito

Los espejos, además de para construir telescopios, sirven para entretenerse durante la cuarentena del COVID-19. Recuerdo que en una clase de física del Colegio, el profesor Imbrogno preguntó qué tamaño tenía que tener un espejo para vernos de cuerpo entero. Me pasé días pensando y calculando sin éxito. La clase siguiente el profesor preguntó si alguien había resuelto el problema. Mi amigo Gonzalo pasó al pizarrón y demostró, para mi asombro, que alcanza un espejo de la mitad de la propia altura, independientemente de la distancia a la que lo pongamos.

Podemos demostrarlo con un teléfono celular frente al espejo del baño: vamos a encontrar el tamaño del espejo necesario para reflejar el celular entero, visto por su propia cámara. Nos ponemos frente al espejo, a cualquier distancia pero suficiente para dibujar sobre el vidrio con comodidad. La idea es mantener el celu bien quieto y, mirando en la pantalla su imagen reflejada, dibujar el contorno del celu reflejado con un marcador.

Ese rectángulo que dibujamos es el pedazo de espejo que refleja el celular entero. Podemos verificar que la imagen del celular cabe exactamente dentro del mismo rectángulo, independientemente de la distancia al espejo. Podemos sacar fotos como éstas, a distintas distancias, que lo muestran.
Una vez satisfechos de que dibujamos bien el rectángulo (tal vez tenemos que borrar y volver a empezar varias veces), dibujamos un segundo rectángulo igual al primero. Alcanza con copiarlo a ojo, más o menos. Tienen que quedar tocándose por una esquina. Los dos rectángulos nos ayudan a visualizar, en el espejo, una superficie que es el doble de ancha y el doble de alta que la que nos había alcanzado para reflejar el celular entero, visto por su propia cámara. Si hicimos todo bien, esa superficie debería ser igual al tamaño del celular...

Así que lo apoyo sobre el espejo y verifico (en este caso tuve que sacar la foto con otra cámara, como se ve). ¡Sí, alcanza un espejo de la mitad de alto (y de la mitad de ancho) para que el celular se vea entero a si mismo! Lo mismo vale para una persona: le alcanza un espejo de la mitad de ancho y la mitad de alto para verse entera.


Podemos hacer un trazado de rayos, por supuesto, que es lo que Gonzalo dibujó en el pizarrón. Los rayos de luz se reflejan en un espejo plano con el mismo ángulo con que incidieron, así que es fácil de dibujar. Así podemos comprobar además a qué altura tenemos que poner el espejo: la parte de arriba justo entre los ojos y la parte de arriba de la cabeza, y por lo tanto la parte de abajo a la mitad de la altura de los ojos desde el piso. Y funciona a cualquier distancia:

Es una creencia habitual que la imagen que nos devuelve el espejo tiene invertidas la izquierda y la derecha. ¡No es verdad! Aprovechen, ya que están jugando frente al espejo, para pensarlo bien. ¿Cómo podría el espejo invertir izquierda y derecha pero no arriba y abajo? Si lo giro y lo pongo de costado, ¿cómo hace para seguir "pareciendo" que invierte izquierda y derecha, usando las partes de espejo que antes estaban arriba y abajo? Claramente, no puede ser. La creencia proviene de imaginar que hay una persona (nuestro reflejo) del otro lado, como si fuera una ventana. Entonces, cuando yo levanto la mano izquierda, la otra persona parece levantar "su" mano derecha. Pero esto no es verdad. La persona del reflejo levanta la mano que está del mismo lado que "su" corazón, así que es la izquierda.

¿Entonces, si no invierten izquierda y derecha, qué invierten los espejos? Invierten atrás y adelante. Dejo una foto para que lo piensen.


En física, esta operación se llama paridad. Para los aficionados a la matemática: la transformación de paridad tiene determinante -1, mientras que si uno va y se pone del otro lado del espejo como si fuera una ventana, la transformación sería una rotación (alrededor de un eje vertical), que tiene determinante +1. Aunque los espejos de baño parezcan sugerir lo contrario, sabemos que el universo reflejado en el espejo no es el mismo que nuestro universo. Algunos experimentos, reflejados, dan resultados distintos. Es como si pudéramos ver dentro del cuerpo reflejado y decir ¡ah, no, tiene el corazón del otro lado, esa no es una persona, es un reflejo! Todo esto está relacionado con el lamentable caso de la noticia del universo paralelo que seguro todos leyeron. No sé si vale la pena agregar algo. Mejor vayan y vean la conversación entre mi amigo José Edelstein y Javier Santaolalla, quienes hicieron un vivo en Instagram que vale la pena. La parte física empieza por la mitad, al principio charlan sobre la cuestión periodística.

sábado, 23 de mayo de 2020

El cúmulo de Virgo

"Leo, a roaring Lion lies in the path [...]; we escape
and hail Virgo, the Virgin! that's our first love."
Herman Melville, Moby Dick

En el cielo hay objetos únicos, que capturan el interés tanto de astrónomos profesionales como aficionados: la Luna, Saturno, la nebulosa Homúnculo... Entre Denébola, la Cola del León, y Vindemiatrix la Vendimiadora, está el cúmulo de galaxias de Virgo.


Los ladrillos del universo no son las estrellas ni las galaxias, son los cúmulos de galaxias. Son grandes conglomerados de galaxias ligadas gravitacionalmente entre sí, dinámicos, alejándose unos de otros arrastrados por la expansión del universo. Forman una especie de espuma, como se ve en este relevamiento, donde los cúmulos son como paredes de burbujas que encierran grandes vacíos. En el universo, el cúmulo de Virgo es uno más. Pero en nuestro cielo es especial porque, a 50 millones de años luz, es el más cercano, y nuestro Grupo Local de galaxias siente su gravedad*. Para los astrónomos, es un laboratorio único con miles de galaxias de todos los tipos y luminosidades, todas a la misma distancia para conveniencia de su estudio. Para los aficionados, es el único lugar en el cielo donde pueden verse montones de galaxias, incluso varias en el mismo campo, con telescopios medianos de 15 o 20 cm. Es también una oportunidad única para fotografiarlas con equipos modestos.

Esta foto la tomé en la Star Party Valle Grande 2019, con la Canon T3i y teleobjetivo Canon de 100 mm F/2 stoppeado a F/2.8. Aquí no hay telescopio. La cámara, eso sí, está sobre una montura motorizada iOptron SkyTracker, que me permitió hacer exposiciones de 2 minutos. Con 23 de ellas compuse esta imagen de 46 minutos de exposición:


Las galaxias son tenues, y como el campo abarca 13 grados de ancho hay muchas estrellas de nuestra propia galaxia que confunden. Hice una versión en negativo para que las galaxias se vean mejor, y con etiquetas mostrando las más notables.


El cúmulo tiene varias partes. La principal, más grande y más masiva, es la que ocupa la parte inferior de mi imagen. Está dominada por la gigantesca elíptica M87, la galaxia de la famosa foto del agujero negro central del año pasado. La segunda componente es la que está al sur (arriba), dominada por la galaxia M49. Voy a mostrar algunos recortes al 100% de resolución, porque la foto del cúmulo completa está muy reducida en esta columna. Igual están achicadas, para verlas al 100% van a tener que clickearlas cada una.

Esta es la región central del cúmulo de Virgo, donde encontramos la enorme M87 y el notable grupo de galaxias alineadas llamado Cadena de Markarian:


En un telescopio mediano con un campo visual grande la Cadena de Markarian puede verse entera o casi, lo cual es una vista única y sobrecogedora. Podemos identificar algunas de ellas en una imagen en negativo:


Las más brillantes de la cadena son M84 y M86, dos galaxias elípticas que junto a las espirales vistas de canto NGC4388 y NGC4402 forman una linda cara, con una sola ceja, que en la foto general se ve invertida, y que aquí al lado acomodé mejor. La nariz también es una galaxia, la pequeña elíptica NGC4387. El centro de masa del cúmulo no se encuentra en la galaxia dominante M87, como suele creerse, sino en la mejilla derecha de esta carita. M86 no tiene un redshift sino un blueshift: se mueve hacia nosotros a más de 400 km por segundo, reflejando la dinámica interna del cúmulo.

La alineación de estas ocho o más galaxias es un efecto de perspectiva. M84 no está tan cerca de M86 como parece, sino bastante más atrás. La galaxia grande más cercana a M86 es la gigante M87. De hecho, puede verse que mientras M84 es bien redondita, M86 parece estirada, precisamente en la dirección de M87. Tiene también una larga cola de gas, producida por su movimiento supersónico en el medio intergaláctico. En negativo se ve mejor el estiramiento, en la dirección que indica la flecha:


Curiosamente el famoso jet relativista de M87, que surge de su agujero negro central, apunta exactamente hacia M86. ¿Cómo sabe el agujero negro dónde está M86? Es un misterio. O una casualidad. 

En el cúmulo hay muchos otros ejemplos de galaxias en interacción, en distintas etapas de colisión y fusión. Uno de los más famosos está también en la Cadena de Markarian: las galaxias NGC4435 y 4438, que forman los Ojos de Copeland por su aspecto en el telescopio. Aquí seleccioné cuatro lindos ejemplos:


NGC4302 y 4298 son una preciosura pero no tienen nombre propio, pobrecitas. Forman un par muy contrastante, una espiral de canto y una casi de frente. Busquen sus fotos del Telescopio Hubble, son impresionantes. Están en una linda región del cúmulo, donde encontramos otra gran espiral de frente, M99, y otra más, M98, de canto:


Otra de las grandes galaxias del cúmulo es NGC4216, una espiral con un núcleo muy brillante (o un disco poco brillante: es una galaxia anémica, con poco gas), más grande que nuestra vecina la galaxia de Andrómeda. Dos espirales chiquitas con la misma inclinación la acompañan:


Identifiqué una manchita insignificante cerca de NGC4216 como una galaxia enana en interacción con ella, en medio de una larga cola de gas visible en algunas fotos. Es como nuestras Nubes de Magallanes. Tiene magnitud 19, lo cual me deja boquiabierto, la lente tiene 58 mm de apertura.

M49 es la galaxia más brillante del cúmulo (magnitud 9.4), y es la que domina el subcúmulo B. Es una gran elíptica, en cuyo campo se encuentran dos lindas espirales, NGC4535 de frente (la Galaxia Perdida de Copeland, que increíblemente en mi foto muestra varias de sus regiones de formación estelar) y 4526 de canto:


En una tierra de nadie entre ambas componentes del cúmulo está M58, una gran espiral barrada (que muestra algo de su polvo en mi foto, aunque no se distinguen los brazos), y las Siamesas que ya mostré, y que son como deben haber sido las Antenas hace unos 100 millones de años:


Si tenés un telescopio mediano o grande, y acceso a un lugar oscuro, no dejes de observar el cúmulo de Virgo en las noches del otoño austral. Ahora es la mejor época: está directamente al Norte un par de horas antes de la medianoche. Recordá que cada una de sus miles de galaxias, que te parecerán manchitas de luz, tiene cientos de miles de millones de estrellas y planetas.

"We recognize how every object has a divine beauty in it; 
every object still verily is a window through which 
we may look into Infinitude itself."
Thomas Carlyle


La imagen del sondeo de galaxias es del 2dF Galaxy Redshift Survey. Muestra dos rodajas del cielo, hasta una profundidad de 2500 millones de años luz, una de cada lado del plano de la Vía Láctea, como se ve en esta ilustración.

* El cúmulo de Virgo es la mayor componente del supercúmulo de Virgo, o supercúmulo local, que abarca un centenar de cúmulos y grupos (como nuestro Grupo Local). La estructura llamada Laniakea abarca varios supercúmulos vecinos pero, a diferencia de estos, no está ligada gravitacionalmente y se desarmará en el futuro. Estas estructuras, como se ve en el sondeo 2dF, no tienen bordes nítidos sino que forman un continuo de filamentos y burbujas.

sábado, 16 de mayo de 2020

El agujero más negro

El 6 de mayo el Observatorio Europeo Austral anunció el descubrimiento del agujero negro más cercano a la Tierra, en un sistema estelar visible a simple vista. Esa misma noche salí al balcón para tratar de verlo. Con magnitud 5, y muy bajito sobre el horizonte, no tenía chance de verlo a simple vista. Pero con el avance del mal tiempo no podía arriesgarme, así que aproveché igual para fotografiarlo (y fue la última noche despejada desde entonces). Esta es la foto de ángulo amplio, con el zoom a 18 mm. La estrella es QV Telescopii, en la constelación del Telescopio (una más de las constelaciones olvidadas del cielo sur), señalada como QV Tel. Para encontrarla conviene buscarla más bien entre el Pavo y Ara, que son más fáciles de localizar. En las fotos no tuve dificultad para identificarla, aun en ésta, aunque seguramente les costará encontrarla incluso si descargan la imagen, que es una versión reducida de la original. (Los símbolos superpuestos son de la calibración de astrometry.net.)

Hice fotos también a 46, 100, 200 y 270 mm para enmarcarla. Voy a poner aquí sólo la de 270 mm. El campo es unas 10 veces menor que el de la foto de arriba, sólo 4 grados de ancho. Allí está QV Tel, una estrellita que no dice gran cosa. La designación QV delata que es una estrella variable. Otras designaciones de catálogo son HR 6819 y HD 167128. Aunque aparece como una estrella única incluso a los telescopios más poderosos, el análisis espectral de su luz mostró hace algunos años que se trata de dos estrellas de tipo espectral B, una en órbita de la otra. Una de ellas es una gigante azul, una estrella muy masiva que ya ha abandonado la secuencia principal de quemado de hidrógeno y está fusionando helio. La otra es una estrella menos evolucionada, también de tipo B pero de un subtipo raro: es una estrella Be (se pronuncia "be e"), es decir una estrella B (de secuencia principal), con líneas de emisión que delatan la existencia de material caliente en órbita. Son estrellas que rotan muy rápido y centrifugan una buena cantidad de gas, que queda formando un anillo, quizás como un Saturno estelar. ¡Qué lindas deben ser de cerca! (Varias de la Pléyades son estrellas Be, y también la brillante Achernar.)

La cuestión es que, haciendo un espectro muy preciso con el telescopio de 2.2 metros de La Silla, descubrieron una modulación de 40 días de una de las estrellas, pero no de la otra, que delata la presencia de un tercer objeto. Observen cómo algunos de los colores bailan y otros no, en estos espectros desplegados en el tiempo:

Esas líneas onduladas, más la física de la gravedad, permiten calcular la órbita y la masa del tercer cuerpo. Así se estudian, por ejemplo, los planetas alrededor de otras estrellas. Pero éste resultó que no es un planeta: la masa calculada es por lo menos 4 veces la del Sol. Debería ser una estrella. Pero no brilla. Así que es un agujero negro. Hubo una tercera estrella en el sistema, más masiva que las dos sobrevivientes, que por lo tanto envejeció mas rápido y ya explotó, dejando tras de sí el agujero negro.

El sistema QV Tel es entonces triple. Triple jerárquico, precisamente: QV Tel A está formada por la gigante azul QV Tel Aa y el agujero negro QV Tel Ab, en órbita apretada cada 40 días. La otra componente, QV Tel B (la estrella Be), orbita más ampliamente alrededor de las dos componentes QV Tel A.



La inmensa mayoría de los agujeros negros conocidos se han identificado por ser fuentes intensas de rayos X, que se originan en el disco de materia supercaliente a su alrededor. Esto ocurre tanto en los residuos estelares de explosiones de supernovas (como el primero descubierto, Cygnus X-1), o en los supergigantes en el centro de las galaxias. Pero si un agujero negro no tiene materia alrededor, no emite radiación (salvo el tenue resplandor de Hawking) y es realmente negro. Los autores dicen que los modelos de evolución estelar permiten deducir que habría unos mil millones de agujeros negros de masa estelar en la Galaxia, y que sin embargo se conocen unos 200 objetos binarios como Cygnus X-1, muchos de los cuales ni siquiera tienen un agujero negro, sino una estrella de neutrones. Así que es un misterio dónde estarían esos agujeros negros negros. Bueno, aquí hay uno, dicen. A apenas 1000 años luz de nosotros, en una estrella visible a simple vista. El paper menciona la similitud de este sistema con otro, llamado LB-1, que cuando se anunció parecía tener un agujero negro raro, de 70 masas solares, pero que según ellos se podría reinterpretar como el de QV Tel, con masa estelar. Y seguramente haya unos cuantos así de cercanos o más, que podrán ser descubiertos y estudiados, como éste, si se encuentran en sistemas estelares múltiples.

En mis fotos el cielo nocturno se ve azul porque, encima, había luna llena. Ya que estaba en el balcón, también aproveché para fotografiarla con el Tamron a 270 mm:



El paper (de donde saqué el espectro) es:

Rivinus et al. A naked-eye triple system with a nonaccreting black hole in the inner binary, Astronomy & Astrophysics, manuscript no. 38020corr (2020).

La nota de prensa está en: ESO Instrument Finds Closest Black Hole to Earth.

sábado, 9 de mayo de 2020

La distancia al Sol

¿A qué distancia está el Sol? ¿A qué distancia están los planetas? ¿Y las estrellas? ¿Cuánto mide el universo? Los astrónomos se lo preguntaron desde la Antigüedad. Aristarco de Samos incluso midió la distancia a la Luna y al Sol, hace 2500 años, con instrumentos muy precarios y resultados más o menos. Después de la Revolución Copernicana la cuestión se hizo apremiante, porque la distancia al Sol se convirtió en el ingrediente crucial para calcular el tamaño del sistema solar. La Tercera Ley de Kepler del movimiento planetario permitió calcular la relación entre las órbitas de los planetas comparando sus períodos, que se podían medir directamente. Por ejemplo, el año de Marte dura 687 días, 1.9 veces más que el año terrestre. Kepler dice entonces que la distancia de Marte al Sol es 1.92/3 = 1.5 veces la de la Tierra. Genial, pero ¿a qué distancia está la Tierra del Sol?

En el siglo XVII Edmond Halley, de cometaria fama, se dio cuenta de que se podrían utilizar los tránsitos de Mercurio y de Venus, esos minieclipses que podemos ver cuando los planetas interiores pasan delante del Sol. Con la fuerza de su prestigio promovió campañas internacionales, especialmente durante los raros tránsitos de Venus, para combinar observaciones desde todos los rincones del mundo y medir, de una vez por todas, la famosa unidad astronómica, la distancia de la Tierra al Sol. Hubo tránsitos de Venus en 1761 y 1769, cuya observación arrojó un resultado de 153 millones de kilómetros (400 veces más que lo que le había dado a Aristarco). Más de un siglo después, los tránsitos de 1874 y 1882 permitieron refinar ese valor a 149.59 millones de kilómetros.

Hoy en día conocemos la distancia al Sol con precisión de algunos metros, y la verdad que no necesitamos seguir midiendo. Pero los tránsitos de Mercurio, mucho más frecuentes que los de Venus, son una oportunidad para medir el tamaño del sistema solar de manera directa y al alcance de los aficionados de hoy en día. Así que durante el tránsito de noviembre de 2019 me uní a un proyecto coordinado por el Prof. Udo Backhaus desde Essen, Alemania, para hacerlo. La idea del método es tratar de medir este ángulo:


El ángulo βS está relacionado con la distancia dS mediante una sencilla fórmula trigonométrica. Por supuesto, uno no puede medir directamente βS porque uno no está en el Sol, está en la Tierra. Ahí es donde aparece el tránsito: en lugar de medir la paralaje del Sol, uno mide la paralaje de Mercurio:


Claro que uno tampoco mide directamente el ángulo βM, porque uno no está en Mercurio. Pero observando simultáneamente Mercurio contra el Sol desde dos sitios en la Tierra, conocidas sus latitudes y longitudes, todo puede calcularse con trigonometría. Así que el 11 de noviembre me dispuse a fotografiar el tránsito a intervalos regulares, con la cámara montada al telescopio:


Estos eventos diurnos siempre producen un poco de ansiedad. ¿Me habré equivocado, habrá sido ayer? Pero no, el tránsito empezó con precisión astronómica:


Estos tránsitos duran horas, parece que no terminan más. Hubo algunas nubes en la segunda mitad, pero logré juntar unas cuantas imágenes útiles. Lo más difícil para comparar las imágenes tomadas por dos telescopios aficionados, montados de manera portátil en muchos casos, y con cámaras acopladas de manera impredecible, era saber cómo están orientadas estas fotos. A falta de manchas solares, a Udo se le ocurrió hacer dos fotos en cada toma, apagando el motor de seguimiento del cielo entre una y otra. La eclíptica, y por lo tanto la orientación absoluta de las imágenes, queda determinada por la deriva del Sol. Así:


Udo nos pidió que hiciéramos esto, que midiéramos las posiciones de Mercurio en las fotos, y que le mandáramos los resultados. En el mejor estilo de las campañas de los siglos XVIII y XIX, él se encargó de procesar los datos de todos y combinarlos para calcular la paralaje solar. Por ejemplo, la paralaje entre Leiferde, Alemania, y Bariloche, puede apreciarse en esta imagen combinada de las 13:00 UT. Conocido el tamaño del disco solar (medio grado, 1938" ese día), cada una de estas combinaciones permite medir directamente la paralaje de Mercurio para nuestras ciudades, y calcular un valor de la paralaje solar. En este caso resulta ser de 12.9", un poquito grande con respecto al valor correcto de 8.79", pero nada mal ya que, como se ve, Mercurio es muy chiquito y difícil de enfocar y medir.

Udo usó, además de nuestras observaciones, las que tomó el Solar Dynamics Observatory en órbita de la Tierra, que son de mucha mejor calidad. La combinación de sus imágenes con las mías, por ejemplo, es esta secuencia:


Una serie de observaciones así permite fitear los valores de la posición de Mercurio, obteniendo un mejor resultado que con pares de observaciones individuales. En este caso la paralaje solar da 9.0" ± 0.4". ¡Vamos Bariloche!

Combinando todos los resultados de todos los participantes, Udo finalmente calculó una paralaje solar de 9.1". Con respecto al valor exacto de 8.79" nuestra medición resultó errada en apenas un 2.3%. Esta paralaje corresponde a una distancia al Sol de 145 millones de kilómetros.

Termino esta nota con las palabras finales de Udo:

Por supuesto, ya lo sabíamos antes del proyecto. Pero ahora no sólo tenemos la distancia, sino un método para determinarla nosotros mismos. Y conocemos las dificultades de obtener un resultado satisfactorio, incluso con equipos y comunicaciones modernos. Edmond Halley tuvo esta idea durante el tránsito de Mercurio de 1677. Para sucesivas generaciones de astrónomos resultó extremadamente difícil llegar a un resultado (e incluso a un acuerdo). Ahora podemos entender por qué la recopilación y evaluación de estos resultados necesitaba décadas. Nos paramos sobre las espaldas de gigantes. 

Uno de los participantes, Aldo Kleiman, de Rosario, respondió: Hay belleza en una vista del cielo, en el estudio científico de una fórmula matemática, y sin duda en el Transit of Mercury Internet Project

¡Gracias Udo, y gracias a todos los participantes!


Para los quisquillosos: la distancia de la Tierra al Sol no es un número fijo, porque la órbita no es redonda. Pero la unidad astronómica sí, ya que desde 2012 se la define exactamente como 149597870700 metros. Por otro lado, las distancias que entran en la Tercera Ley de Kepler son la mitad del eje mayor de las elipses que siguen los planetas en sus órbitas medias. Finalmente, la paralaje solar se define como paralaje horizontal media, que es el ángulo βS de la figura, cuando los sitios 1 y 2 están separados un radio ecuatorial medio terrestre y la Tierra está a su distancia media al Sol.

Las ilustraciones de la paralaje son de Udo Backhaus y están tomadas del sitio del proyecto.

La foto del tránsito de Mercurio desde Leiferde es de Björn-Erik Brandt, quien dijo: "Fue una experiencia increíble, una tensión de locos, pero al final más momentos de felicidad que de estrés." (¿Será el futbolista noruego? Tengo que averiguar.)