sábado, 30 de enero de 2021

Sirio en technicolor

Sirio, la destellante, la abrasadora, es la estrella más brillante del cielo nocturno. Domina espléndida las noches sin luna del verano austral y del invierno boreal. Es casi 10 veces más luminosa que una estrella estándar de primera magnitud. A través de un telescopio Sirio es extraordinariamente brillante, de un color blanco con un tinte azulado. Sin embargo, precisamente por ser una estrella tan brillante, su titilar es particularmente colorido. El efecto es especialmente notable cuando la estrella se encuentra cerca del horizonte, y es posible que este efecto sea el origen de los nombres que cité al principio, que vienen de la antigüedad clásica.

Estas imágenes fueron hechas con un zoom (zoom es un tipo de lente, no una videoconferencia) de 270 mm, con Sirio apenas sobre el horizonte oriental al caer la noche a fines de octubre. Son fotos rápidas, de 1/500 s, tratando de capturar el fugaz cambio de colores. Los puntitos blancos son ruido de la fotografía digital, que está apenas procesada para armar esta animación que muestra a la estrella elevándose sobre el horizonte. En esta versión fui dejando las imágenes anteriores. Me encanta el desordenado arcoiris que se produce. 

Hice también una versión desenfocada, porque a veces los colores de las estrellas se ven mejor fuera de foco. La verdad que en este caso el resultado no es mucho mejor, hasta diría que es peor, tal vez porque Sirio es tan brillante. O porque son exposiciones mucho más lentas, de medio segundo, para capturar la imagen extendida de la estrella, y el efecto se borronea porque es dinámico. Aquí está:

Hay que aclarar que estos colores son un fenómeno puramente atmosférico. Los verdaderos colores de las estrellas corresponden principalmente a sus temperaturas, siendo más azules las más calientes y más rojas las menos calientes (para horror de las profesoras de Plástica). Normalmente las estrellas tienen un color definido que no cambia sino en cientos o miles de millones de años a medida que la estrella vive su vida. Los colores fluctuantes de Sirio, en cambio, se deben a su tembloroso titilar, un fenómeno que ya hemos explicado hace años. Se origina en celdas de distinta densidad de aire, que funcionan como una pila de prismas dispersando la luz de manera desigual. Los fotones de Sirio recorren todos juntos los 8 y pico años que tardan en llegar a la Tierra, y en el último diezmilésimo de segundo se encuentran con nuestra turbulenta atmósfera y se vuelven locos. 

El nombre de Sirio viene del latín Sirius, y éste del griego Seirios, que además de ser el nombre de la estrella (y del perro de Orión), significa destellante o algo así. Su primera aparición en el cielo del amanecer es muy cercana al solsticio de verano del hemisferio norte, y está asociada a los días de máximo calor, la canícula. En muchas culturas Sirio marca momentos importantes del año, relacionados principalmente con la agricultura. Hesíodo la menciona tres veces en Los Trabajos y los Días, registrando en el siglo VII AEC su primera aparición escrita. El artículo de la Wikipedia en español incluso dice que Hesíodo califica a Sirio como poikilos, que vendría a ser manchada, o variegada, o también de varios colores. He revisado la obra en español, en inglés y en griego, y la expresión no aparece en ningún lado. Si alguien sabe qué quisieron decir, avise. La cita es de un libro de Comellas, que no tengo.

Mientras tanto, aprovechen para observar a Sirio, que dura todo el verano. 



Como de costumbre, revisé el Burnham's Celestial Handbook al escribir esta nota. Las fotos son mías.

sábado, 23 de enero de 2021

La degeneración de las estrellas

Aprieto un dedo contra la mesa y siento su dureza, no puedo penetrarla. Aprieto más fuerte y me duele un poco. Ni el dedo ni la mesa se mueven, así que no hay trabajo mecánico realizado, pero siento una energía. ¿Qué es lo que está pasando? Estamos ante un nuevo caso de física cuántica en la vida cotidiana. Ya lo hemos contado aquí: aunque existe una impresión generalizada (fomentada incluso por algunos colegas) de que la física cuántica sólo tiene que ver con el mundo microscópico, en realidad se manifiesta a escala humana. Sólo hay que saber mirar. 

Cuando aprieto el dedo contra la mesa los electrones de mi dedo se acercan a los electrones de la mesa. Resulta que para los electrones vale el principio de exclusión de Pauli: dos electrones no pueden estar en el mismo estado cuántico. El estado cuántico está compuesto de una variedad de parámetros: la energía, el momento lineal (lo que Marley llama momentum en la tele), y también el lugar. Cuando trato de poner los electrones de mi dedo en el mismo lugar que los de la mesa, algunos electrones tienen que pasar a otros niveles de energía, para no compartir el mismo estado cuántico que los que están tratando de ocupar el mismo lugar. Este aumento de energía es lo que siento en el dedo cuando hago fuerza: estoy sintiendo en carne propia el principio de exclusión de Pauli. Tomá pa' vos.

¿De dónde sale este principio de exclusión? Parece algo tirado de los pelos. ¿Por qué los electrones deberían cumplir esta especie de distanciamiento covid-19 cuántico? Cuando Pauli lo propuso a principios del siglo XX era una explicación fenomenológica de la estabilidad de los átomos de Bohr y otros fenómenos cuánticos que se estaban empezando a explorar experimentalmente. Hoy en día lo entendemos de una manera distinta: la función de onda de los electrones tiene una propiedad de simetría matemática especial, tiene que ser antisimétrica. Esto vale no sólo para los electrones, sino para todas las partículas de materia, llamadas fermiones

El lector atento dirá: "Si el principio de exclusión parecía tirado de los pelos, ¿no estamos barriendo los pelos debajo de la alfombra? ¿De dónde sale esta dichosa antisimetría de la función de onda, eh?" Es una observación perfectamente válida. ¿Por qué no tener una función de onda simétrica, en lugar de antisimétrica? Y la respuesta es ¿por qué no? Una función de onda simétrica es posible. En el mundo cuántico existen los dos tipos. Para algunas partículas (los fermiones) la función de onda es antisimétrica, obedecen el principio de exclusión y por lo tanto son las que constituyen la materia, proverbialmente impenetrable. Y existen otras partículas (llamadas bosones) cuya función de onda es simétrica, no obedecen el principio de exclusión y pueden estar todas en el mismo sitio, como si fuera una fiesta clandestina covid cuántica. Los bosones por supuesto no pueden constituir la materia, así que se encargan de las interacciones, las fuerzas. El fotón es un bosón, por ejemplo, que se encarga de la interacción electromagnética, la favorita de los astrónomos. 

Para activar esta exclusión electrónica entre mi dedo y la mesa tengo que hacerlo voluntariamente, apoyando y apretando el dedo en la mesa. ¿Podría ocurrir naturalmente? Claro que sí: la mesa está apoyada en el piso, sobre el que presiona por acción de la gravedad, y la repulsión electrónica que provee el principio de exclusión la mantiene parada sin hundirse. Aún así, es un fenómeno localizado; solamente ocurre donde el dedo hace contacto con la mesa, o las patas de la mesa sobre las baldosas. ¿Podría acaso ocurrir de manera volumétrica, en todo un pedazo de materia? La gravedad es de nuevo la respuesta: una cantidad de materia suficientemente grande, bajo la acción de su propio peso, podría comprimirse toda ella de tal modo que todos sus electrones sintieran la presencia de los demás, formando un estado de la materia muy distinto del cotidiano, llamado degenerado, sin ofender. 

Claramente, esto no es lo que ocurre con la Tierra. Se necesita más materia. ¿Júpiter? Más. Pero si uno pone más materia, se enciende una estrella, y la radiación producida por las reacciones nucleares la mantiene inflada, contrarrestando la tendencia gravitatoria a comprimirla. Pero cuando se apagan las reacciones nucleares al acabarse el combustible, al final de la vida de la estrella, se reinicia la contracción y sólo la detiene la degeneración de los electrones. Esto es efectivamente lo que ocurre con la inmensa mayoría de las estrellas del universo. Es lo que pasará con el Sol, en un futuro lejano. El resultado es un rescoldo muy caliente llamado enana blanca. Claro que si la estrella es demasiado pesada, como ya hemos comentado más de una vez, su destino es otro: explota como supernova de tipo II. Pero aún así, la mayor parte de las veces lo que queda es una estrella de neutrones, que es como una enana blanca pero sostenida por la degeneración de los neutrones, que también son fermiones. Sólo las más pesadas de todas logran vencer a Pauli por completo y formar un agujero negro (que no es materia, sino pura geometría). 

Los astrónomos y los físicos construyeron y aceptaron estos conceptos muy lentamente a lo largo del siglo XX. En 1910 se dieron cuenta de que la estrella 40 Eridani B, que mostramos la semana pasada era paradójica. Era blanca (o sea, caliente) pero muy tenue (o sea, pequeña, porque se sabía que era muy cercana). Henry Russell cuenta que, cuando discutió esta estrella inusual con Edward Pickering y Williamina Fleming, descubrieron que debería tener una densidad excepcional. Pickering le dijo que no se preocupara, que eran excepciones como la de 40 Eri B las que hacían progresar la ciencia. Así nació el estudio de las enanas blancas, expresión popularizada poco después por Arthur Eddington. Para 1939 se conocían 18, hacia 1950 un centenar, y hoy en día unas 10000. Aunque pesan como una estrella tienen el tamaño de la Tierra, y su densidad es un millón de veces mayor que la de la materia solar: una cucharadita de enana blanca pesa una tonelada.

Las enanas blancas se enfrían muuuuy lentamente y van perdiendo el lustre, pasando por los colores usuales para cualquier asador dominguero: amarillo, naranja, rojo, rojo oscuro, negro. Eso si están solitas. Si tienen una compañera que les entregue materia extra, pueden revivir fugazmente como novas clásicas o supernovas de tipo Ia

 


Para curiosos, vale la pena comentar que también son bosones ciertos estados compuestos de fermiones, llamados "pares de Cooper", y que son responsables de la superconductividad que hace funcionar la máquina de resonancia magnética nuclear con la que exploramos los órganos internos sin cortar al paciente. 

Vale la pena también decir que la parte espacial de la función de onda electrónica puede ser simétrica, en cuyo caso la parte del spin tiene que ser antisimétrica, para que el total sea antisimétrico. Funciones espaciales simétricas juegan un papel importante en las uniones químicas que forman las moléculas. 

La anécdota de Russell es de White Dwarfs, E. Schatzman, Amsterdam: North-Holland, 1958. Lo leí en la nota en Wikipedia, no tengo el libro.

La foto de Pauli la descargué de Wikipedia. Nótese la facha del tipo, dando clase como si estuviera en una recepción en una embajada. 

La ilustración de una enana blanca junto a la Tierra es de la ESA. La de la simetría de las funciones de onda es de Hyperphysics.

sábado, 16 de enero de 2021

En el cielo de Vulcano

En Star Trek, el planeta Vulcano orbita la estrella principal del sistema triple 40 Eridani (también denominada o² Eri, que se pronuncia "ómicron dos eridani"). La estrella, 40 Eri A, tiene nombre propio: Keid, que significa "cáscara de huevo". Sí, Vulcano está en órbita de Cáscara de huevo, en fin, es el nombre aprobado por la Unión Astronómica Internacional, qué le vas a hacer. 

Keid es una estrella amarilla, de tipo espectral K, un poco más chica, menos caliente, y la mitad de luminosa que el Sol. ¡Y tiene al menos un planeta! Designado 40 Eri Ab, o Keid b, es una supertierra. No sabemos mucho de este tipo de planetas, con tamaño y masa entre la Tierra y Neptuno, porque en nuestro sistema solar no hay ninguno. En todo caso, es muy difícil que sea como Vulcano, ya que está en una órbita muy apretada y tiene una insolación mucho mayor que la de la Tierra. Vulcano es caliente, pero no tanto ("Hot as Vulcan", dice Bones en el episodio 1 de la segunda temporada). Pero, si hay un planeta, seguramente haya más, y quizás alguno sea rocoso y cálido, un verdadero Vulcano. 

Hace poco estuve observando y fotografiando 40 Eri. Es una preciosa triple, porque el amarillo de Keid contrasta con el blanco azulado de la componente B, y con el rojo de la C, mucho más tenue. Las dos estrellas menores están relativamente cercanas entre sí (período 230 años, como si fueran Plutón y el Sol), pero orbitan bastante lejos de Keid, una vez cada 8000 años. La multiplicidad de 40 Eri se conoce desde el siglo XVIII, pero recién a principios del XX los legendarios Pickering y Russell se dieron cuenta de que la pequeña 40 Eridani B planteaba un problema. Por un lado, el movimiento propio aseguraba que las tres estrellas eran parte de un mismo sistema físico, así que las tres están a la misma distancia de nosotros. Por otro lado, su espectro (tal como sugiere su color) es el de una estrella de tipo A, más caliente que las K. Normalmente, las estrellas A son más luminosas que las K. Si fuera una estrella tipo A normal, 40 Eri B debería verse mucho más brillante que Keid. Sin embargo, ¡la vemos 5 magnitudes más tenue! La luminosidad calculada resulta apenas el 1% de la del Sol. ¿Cómo puede ser blanca una estrella tan enana?


Bueno, para empezar, la pregunta sugiere un nombre: enana blanca. 40 Eridani B fue la primera enana blanca identificada como tal. Ahora, tener un nombre no nos dice qué es. ¿Qué es una enana blanca? Los astrónomos tardaron 16 años en explicarlo. Nosotros esperaremos apenas una semanita.

Mientras tanto, traten de observarla, es la época ideal del año. Eridanus, el río Erídano, es gigante y es fácil perderse en sus meandros, pero Keid está cerquita de Orión. Y 40 Eri B es definitivamente la enana blanca más fácil de observar para un aficionado.

Imaginen, cuando la observen, que en el cielo de Vulcano, brilla no un sol sino tres, y que aunque Vulcano no tiene luna (capítulo 1 de la temporada 1), sus noches suelen estar iluminadas por una estrella rara, 15 veces más brillante que Venus, con una compañera roja con el brillo de la Estación Espacial Internacional.

 


La foto es mía. Ilustraciones hechas con Stellarium y SpaceEngine.

sábado, 9 de enero de 2021

Arecibo responde

El 15 de agosto de 1977 el radiotelescopio Big Ear detectó una señal en la frecuencia de 1420 MHz (21 cm), viniendo de la dirección de Sagitario. El astrónomo Jerry Ehman la descubrió algunos días después revisando los datos, que quedaban impresos en una cinta de papel con un código alfanumérico. La señal era inusualmente intensa y larga, de manera que llamó la atención de Ehman, quien la marcó en el papel como hacían los egipcios con los nombres de los faraones y escribió Wow! al lado. Se consideraron y descartaron muchas posibles explicaciones naturales o humanas, y al día de hoy la señal Wow! es la mejor candidata a ser una transmisión de una civilización extraterrestre. Nunca se volvió a detectar algo así.

La señal aparece en uno solo de los canales, cubriendo una banda estrecha de sólo 10 kHz. La frecuencia de este canal es 50 kHz mayor que la frecuencia de la línea H I del hidrógeno, una favorita para la búsqueda de inteligencia extraterrestre. Cada letra del código 6EQUJ5 indica una relación señal a ruido, promediada en 12 segundos de medición. En esta representación la señal aparece como un pulso simple. Si había alguna modulación más rápida que estos 12 segundos, se perdió en el promedio temporal. Big Ear observaba sin seguir el movimiento del cielo, y los 72 segundos de Wow! corresponden a un punto del cielo para la resolución del radiotelescopio. Esto, más el máximo casi en el medio, flanqueado por rápidas subida y bajada, indican que posiblemente la señal era continua y fue barrida por el detector durante esos 72 segundos.

En 2012, al cumplirse 35 años de Wow!, National Geographic organizó una respuesta, que fue transmitida desde el radiotelescopio de Arecibo. No prepararon un mensaje nerd como el que Drake y Sagan enviaron desde el mismo lugar en 1974, sino que convocaron al público a que contribuyeran tweets. El resultado fue una mezcla entre simpática y vergonzosa de más de 20 mil tweets. Vean el videíto, son 6 minutos, con preciosas tomas de Arecibo (los mensajes empiezan en el minuto 1 y medio).

Como dice la conductora, "It's not exactly hard science", pero es simpático, y me parece bien que lo hayan hecho. Ahora bien, ¿tiene alguna chance de ser detectada esta respuesta? Rhys Taylor, a quien he mencionado más de una vez en este blog, trabajaba en Arecibo en ese momento. Cuenta que le preguntó a los ingenieros si la señal sería detectable, a algunas decenas de años luz, con un radiotelescopio equivalente al de Arecibo. La respuesta fue inmediata y contundente: no. El transmisor de Arecibo tenía una potencia de 1 MW. Un celu en Marte podría detectarlo integrando durante un segundo, pero las estrellas están muchísimo más lejos. Según Rhys no se podría detectar ni siquiera desde Alfa Centauri, la estrella más cercana al sistema solar, con un equipo similar a Arecibo.

El mes pasado un astrónomo aficionado español, Alberto Caballero, publicó en el arXiv un análisis de posibles fuentes de la señal Wow! Identificó en los datos de Gaia las estrellas similares al Sol que existen en la región del cielo de donde vino la señal, y la mejor candidata resultó ser la estrella 2MASS 19281982-2640123. Es casi una gemela del Sol: a una temperatura de 5783 K, mide 0.9965662 radios solares y emite 1.0007366 veces la luminosidad solar. Eso sí, está medio lejos: 1801 años luz. Esta estrella podría ser la fuente de Wow!, pero los seres que hicieron la transmisión deberían tener unos radiotelescopios gigantescos, o usar otro tipo de transmisor. De todos modos, no estaría de más revisar si, por lo menos, tiene planetas a su alrededor.  

La que sí tiene planetas es Proxima, la estrella más cercana a nuestro sistema. De la dirección de Proxima se detectó recientemente la única otra señal de pinta artificial que hemos recibido en 42 años. Todavía no conocemos detalles de lo que se observó, más allá de las notas de prensa. Parece casi seguro que es una señal artificial, y que viene del espacio. Pero la humanidad ha lanzado gran cantidad de tecnología al espacio. Todavía no ha terminado el análisis, pero seguramente habrá novedades en breve.

 


La resolución de un radiotelescopio es el cociente entre la longitud de onda y el diámetro del reflector. A 21 cm los 53 m (equivalentes, porque era rectangular) de Big Ear dan una resolución de 0.22 grados. Los 72 segundos de Wow!, divididos por la duración de un día sideral, dan 0.31 grados, casi igual a la resolución teórica. Big Ear parecía más una cancha que un telescopio, ¿no?

 La representación gráfica de la señal Wow! es de Wikipedia, usuario Maxrossomachin (CC BY-SA).

sábado, 2 de enero de 2021

Feliz Año Anomalístico Nuevo

El 1 de enero empezó el año 2021 de la Era Común. El año del calendario civil, que usamos desde 1582, es una aproximación de "días enteros" del año trópico. Así que, dentro de lo posible: ¡Feliz 2021, año 2 de la Era del Covid!

El año trópico es el tiempo que tarda la Tierra en recorrer su órbita entre dos equinoccios de marzo, recorriendo un ciclo completo de estaciones. El nuevo año trópico comenzará el 20 de marzo a las 06:37 hora argentina. Así que ¡Feliz Año Trópico Nuevo adelantado!

¿Pero el año no es el tiempo que tarda la Tierra en dar una vuelta alrededor del Sol? Ése es el año sideral, para el cual se referencia el movimiento de la Tierra con respecto a las estrellas lejanas. Tras un año sideral el Sol vuelve a estar en la misma posición con respecto a las estrellas. El año sideral es 21 minutos más largo que el año trópico, lo cual llevó a la reforma del calendario que ya hemos contado. Podemos definir su comienzo en cualquier momento de la órbita, así que ¡Feliz Año Sideral Nuevo!

Pero hay un punto especial de la órbita: el perihelio, cuando la Tierra alcanza su mayor aproximación al Sol. El perihelio es hoy, 2 de enero a las 10:51 hora argentina. El tiempo entre un perihelio y el siguiente se llama año anomalístico. Es mi favorito, por el nombre más que nada. Yo por mí haría vitel toné y pan dulce para el año anomalístico. Así que ¡Feliz Año Anomalístico Nuevo!

El año juliano, de exactamente 365 días y un cuarto (el anterior a la reforma gregoriana) se sigue usando en astronomía, pero sólo para cálculos. No hay un comienzo del año juliano: se cuentan días enteros desde el mediodía del 24 de noviembre de 4174 a.C., fecha gregoriana (¡no la medianoche! los astrónomos trabajan de noche, así que es mejor que la fecha cambie a mediodía). Hoy la fecha juliana es 2459216. ¡Felicidades!

Existen, además, años que combinan el movimiento de la Tierra con el de la Luna, como el año dracónico (también lindo nombre), relacionado con los eclipses. El actual va desde el Gran Eclipse Patagónico el 14 de diciembre de 2020 hasta el eclipse antártico del 4 de diciembre de 2021, algo menos de 355 días. Están también el año lunar, el año vago, el año heliacal, el año sotíaco, el año gaussiano, el año besseliano... Ay, la ciencia, 2500 años complicándolo todo.

 


Las imágenes del Sol que usé en el gif son de NASA/Solar Dynamics Observatory.