Shoot for the stars

«Would you make your mark
by mending a broken heart?
You know it's never too late
to shoot for the stars.»
Chad Kroeger, If today was your last day

Si te interesa el nuevo telescopio espacial Webb, seguramente te enteraste de que hace unos meses su espejo principal recibió el impacto de un pequeño grano de polvo interplanetario. Hubo titulares sensacionalistas, tipo Impact confirmed! y cosas por el estilo. En esta foto se puede ver dónde impactó el micrometeoro:

Realmente, esto no es para nada preocupante. El telescopio no tiene tubo, así que los espejos están expuestos a estas inclemencias inevitables: éste fue el cuarto impacto. Los ingenieros diseñaron los equipos para sobrellevarlas de la mejor manera posible. Los segmentos hexagonales pueden realinearse, por ejemplo, si se desvían. 

Los aficionados somos muy celosos del estado de los espejos de nuestros telescopios, pero la verdad es que la calidad de las imágenes es muy robusta frente al estado de la superficie, tratándose de defectos o simplemente mugre. Vean esta imagen del gran espejo, de 5 metros de diámetro, del telescopio de Monte Palomar. Es una composición de antes y después de la limpieza, que se hace cada par de años para realuminizarlo:

La limpieza se hace a mano, con gente incluso pasando sobre el espejo por una pasarela:

¿Se imaginan si se les cae algo? En algún lugar leí, hace años, que a alguien se le había caído una llave inglesa, que había hecho una buena muesca en el vidrio. El funcionamiento del telescopio no se resintió en absoluto. Estuve buscando información sobre el incidente pero no encontré nada. Sólo un artículo escrito por un periodista que se pasó unos días en el observatorio hablando con los técnicos. Allí cuenta que:

«Además de varios agujeritos que son el resultado de burbujas en el vidrio fundido, hay una muesca de tres pulgadas causada por una llave inglesa que alguien dejó caer. [...] En una reunión de ingeniería surgió el asunto de esta muesca. [...] La docena de personas se miraron de reojo con sonrisas afectadas. "Eso es de antes de que llegáramos nosotros," dijo uno. "Sí, debe haber sido uno de los astrónomos," ofreció otro.»

Parece que nadie quiso jamás reconocer que había dañado el espejo del que fue, durante décadas, el mejor telescopio del mundo. Imaginate. 

Más impresionante es el caso del telescopio Smith del observatorio McDonald (en Texas tenía que ser), que hace poco me recordó un amigo. El 5 de febrero de 1970 un empleado reciente, muy enojado por algo, apareció con una pistola 9 milímetros. Primero le tiró a su jefe, y después disparó 7 tiros al espejo principal:

El vidrio de cuarzo del espejo (fused silica, sílice vítrea) es muy duro, y apenas le hizo unas muescas. Así que le dio también con un martillo, y nada. El telescopio sigue funcionando normalmente. El principal efecto de los impactos es que funcione, en lugar de como un espejo de 270 cm, como uno de 267 (más una imperceptible difracción). Este tipo de telescopio, al igual que el Webb, el Hubble, o el Hale de Monte Palomar, después de todo tienen un enorme agujero en el medio, por diseño. Así que unos agujeritos más no le hacen casi nada adicional, por más impresionante que se vean en esta foto (notar también el aluminio saltado en cientos de lugares):

Volviendo al Webb, más inquietante que los impactos de micrometeoros es la reciente noticia de que uno de los instrumentos tiene un aparente problema mecánico en uno de sus modos de operación (el espectroscopio de media resolución del MIRI, el instrumento súper frío que observa el infrarrojo medio). El problema se detectó hace más de un mes y recientemente lo leí en el blog de la NASA. La descripción es de "exceso de fricción" en una rueda que permite seleccionar la banda en el modo espectroscopía de resolución media. En la Tierra se resolvería con WD-40, ¿pero en Lagrange-2? El problema está en evaluación, así que no puedo anticipar nada. Esperemos que se pueda solucionar. Es el instrumento ideal para observar las moléculas complejas en el medio interestelar y los sistemas planetarios en formación. Cruzamos los dedos. 

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Las imágenes de la limpieza del telescopio de Monte Palomar son de este video, del canal de YouTube del Observatorio Palomar. Les dejo este otro fotograma donde se ve gente frotando el espejo con carilinas 😲:

La foto del telescopio Smith es del Observatorio McDonald. La foto del primer plano de los disparos fue compartida en Twitter por JJ Hermes (@jotajotahermes), que también muestra una del martillazo:

La cita sobre el daño del telescopio Hale es de: N Mattheus, Palomar's telescope mirrors maximize seeing - The Hale blinks, San Diego Reader (1990).

Un reventón en la rueda, y las supernovas perdidas

La galaxia ESO 350-40 tiene una forma inusual que explica su nombre popular, la Rueda de Carro:

¿Por qué es así? Porque chocó, hace unos 300 millones de años, con una galaxia más pequeña (que no es ninguna de las que se ven en la foto). Cuando dos galaxias chocan sus estrellas casi ni se enteran, tan vastos son los espacios entre ellas. Pero el gas y el polvo que llenan el espacio interestelar sí lo sienten, se comprimen y se calientan, y resulta un episodio intenso de formación de estrellas. En este caso, como la colisión le pegó justo en el centro, se desató una onda casi circular de nuevas estrellas, que vemos hoy en día como el borde de la rueda, formado por grandes cúmulos de estrellas jóvenes, azules y brillantes.

En noviembre del año pasado se descubrió una supernova explotando precisamente en el borde de la rueda:

¿La ven? La imagen de la izquierda tiene mucha mayor resolución: está hecha por el telescopio espacial Hubble. La de la derecha, de menor resolución, está hecha por un telescopio en Chile. Pero en ésta, recorriendo la "rueda" desde la parte más baja en sentido horario, encontrarán la estrella explotando, bien brillante. Es una supernova de tipo II, típica de esas regiones de frenética formación estelar, donde abundan las estrellas pesadas. 

El mes pasado, cuando el telescopio Webb fotografió la Rueda de Carro, imaginé que debería ser posible identificar la supernova en la imagen infrarroja, todavía enfriándose lentamente. Efectivamente, allí estaba:

De paso, vean la cantidad de galaxias de fondo que hay en la imagen del Webb, comparada con la del Hubble. ¡Webb no puede dejar de ver las galaxias lejanas! Lamentablemente no me apuré, estuve muy ocupado por esos días, y me scoopearon la primicia. Esta es una imagen a más resolución (y procesada de otra manera):

El nombre de la supernova es SN 2021afdx. Lo que se esconde en ese código de letras es extraordinario. Cuando se empezaron a descubrir supernovas con relativa frecuencia, en los ochentas, se las empezó a designar con una letra latina mayúscula a continuación del año. Así, la famosa supernova visible a simple vista en la Nube Mayor de Magallanes se llama SN 1987A porque fue la primera descubierta en 1987 (¡recién a fines de febrero!). La segunda llevaría la letra B, la tercera la C, etc. A medida que fue avanzando la tecnología se empezaron a descubrir más de 26 supernovas cada año, así que los astrónomos extendieron la nomenclatura: la vigesimoséptima supernova del año recibiría las letras aa (no Aa, sino aa, porque los astrónomos son mandados a hacer para complicar las nomenclaturas). Después vendría la ab, etc, hasta la 52ª, que sería la az, y la 53ª sería la ba. ¿Se entiende la idea?

Si en algún futuro lejano, razonaron los astrónomos, se llegaran a descubrir más de 26 + 26×26 = 702 supernovas por año (26 por las letras simples, más 26×26 por las dobles hasta la zz) usarían tres letras, y así sucesivamente. ¿Pero 700 supernovas en un año? Nunca iba a ocurrir algo así. 

¿Ah, no? No sólo mejoró la tecnología, sino que aparecieron los robots que escudriñan el cielo con paciencia inhumana en busca de supernovas. Y así tenemos en 2021 esta supernova llamada SN 2021afdx.

A. Efe. De. Equis.

A la pucha. Tiene 4 letras.

Llegamos a zz con 702 supernovas. Así que para llegar a zzz necesitamos 26 + 26×26 + 26×26×26 =  18278. La siguiente sería la aaaa, número 18279. Estamos cerca, pero todavía no llegamos. Para llegar a afaa necesitamos cuatro veces 26×26 más (cuatro, porque hay que pasar por b, c, d y e) , o sea 18955 + 4×26×26 = 21659. Ahora tenemos que avanzar hasta afda sumando 3 veces 26 letras: 21659 + 3×26 = 21737. Y por último 23 más para llegar a afdx. Es la supernova 21760 del año 2021. Un promedio de 66 supernovas por día. El 23 de febrero de 1987, cuando se descubrió la SN 1987A, ya nos habíamos perdido más de 3000 supernovas, a la tecnología actual. El sitio de supernovas brillantes que hemos consultado más de una vez muestra 21086 supernovas en 2021, la inmensa mayoría descubiertas por sistemas automáticos (son menos que 21760, porque en la cuenta final algunas resultan que no eran supernovas). Impresionante. Y cuando se termine el telescopio Vera Rubin en cerro Pachón, se espera que él solito descubra algunos cientos de miles de supernovas por año. 

El universo tiene unas cien mil millones de galaxias. Más o menos, explota una supernova por galaxia por siglo. Así que en total son cien mil millones de supernovas por siglo, o sea mil millones de supernovas por año, que equivalen a unas 30 supernovas por segundo. ¡30 supernovas por segundo! ¡PRRRRRR!

 

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La observación de la supernova en la Rueda de Carro en la imagen del JWST es apenas una astronote: Engesser et al., AstroNote: 2022-155. De allí tomé la última imagen. 

La primera imagen de la Rueda de Carro es de NASA/ESA/STScI/Hubble. 

La segunda, con la comparación entre la imagen del Hubble y la del New Technology Telescope, es de ESO/Inserra et al./Amram et al.

El color de la galaxia

¿De qué color es el universo? Me lo preguntó mi amiga Maia Gattás, mientras fabricábamos espectroscopios y espiábamos las coloridas lámparas de descarga de gases elementales. Maia es una artista plástica interesada en todo lo que tiene que ver con los colores, y en particular con los colores astronómicos. Lo primero que se me ocurrió fue que las estrellas emiten la mayor parte de su luz en la región visible del espectro electromagnético, así que en promedio me imaginaba un grisecito. ¿De qué color es el universo? El paisaje desde mi ventana se vuelve monocromático cuando nieva. 

Pero este es un rincón muy chiquito del universo. Las fotos astronómicas son, en cambio, tan coloridas.

Son colores intensos, pero son muy tenues. Por mucho, la principal fuente de luz del universo son las estrellas, estrellas como el Sol. ¿De qué color es el Sol? ¿De qué color son las estrellas? ¿Podemos calcular un promedio, y averiguar de qué color es el cielo estrellado?

Para no sesgar mi averiguación con fotos que puedan estar manipuladas con criterios estéticos, recurrí al mejor catálogo de estrellas que tenemos en la actualidad: el catálogo DR3 de Gaia, recientemente completado. Gaia es un telescopio espacial dedicado exclusivamente a una tarea tediosa como pocas: observar sin parar miles de millones de estrellas, y registrar con exactitud sin precedentes sus posiciones, distancias, brillos y colores. Esta imagen, que comenté hace poco aquí en el blog, representa el cielo estrellado visto por Gaia:

Como ya conté, esta no es una foto: es una representación gráfica del catálogo, con brillos y colores incluídos. Reconocemos, por supuesto, la forma de la Vía Láctea, cruzada por filamentos oscuros donde el polvo frío nos oculta las estrellas que hay detrás. Vemos colores: rosados, anaranjados, blancuzcos, azulados... ¿Cómo promediarlos? Lo más ingenuo era promediar toda la imagen en Photoshop. Me dio esto:

Es un gris apenas azulado (en RGB es 128,133,137). ¿Es el color que me había imaginado? Más o menos. Pero también me di cuenta de que estaba promediando el color del fondo, que arbitrariamente usaron para el mapa. ¿Cómo desembarazarse del fondo, que es de un azul oscuro? De nuevo en Photoshop, hice promedios usando máscaras de brillo. El resultado fue este:

¡Ajá! Esto es otra cosa. Acá vemos claramente el tono cálido de las estrellas de la franja central de la Vía Láctea. El tono general es ahora un beigecito. La galaxia beige. La galaxia caqui. 

No quedé convencido. Si bien usé la imagen de mayor resolución (16000x8000 píxels), no están representadas las estrellas directamente sino algo que no sé qué es, porque no sé cómo la procesaron. Descargar las más de mil millones de estrellas de Gaia estaba fuera de discusión, especialmente con el ancho de banda de Bariloche. Podría usar una muestra representativa, eso sí. Leyendo la documentación me encontré con que los autores del catálogo ya previeron situaciones así: descargar una parte al azar del catálogo. Probé con 10000, como para empezar. Probé con un par de millones: lindo, y eran unos 70MB. Y bueno, al final descargué 2.6 millones de estrellas de Gaia. No todas las mediciones, apenas el brillo y la temperatura. Mi idea era convertir la temperatura en un color RGB, suponiendo la ley de radiación del cuerpo negro (las estrellas son muy aproximadamente cuerpos negros, aunque parezca mentira) y promediar las tres componentes usando los brillos como pesos. Hay muchas más estrellas rojas que azules en la galaxia, pero son muchísimo más tenues. ¿Alcanzaría su número para sesgar la cantidad de fotones hacia el rojo? Para saberlo, tenía que hacer un promedio pesado con el brillo. Lo hice en Mathematica (que tiene predefinida una función que convierte temperatura en color de cuerpo negro). El resultado es éste: 

Ahí tenés. El color de la Vía Láctea. La galaxia té con leche. En RGB es (244,230,219). Si querés una gama sin sesgar el tono quedan unos lindos chocolates:

Por supuesto, también googlié "color of the universe", a ver si alguien más ya lo había hecho. Y resultó que unos tipos de la Universidad Johns Hopkins lo habían hecho hace 20 años, pero usando los colores de 200 mil galaxias de la Australian 2dF Galaxy Redshift Survey. ¡El resultado también fue un beige! Bastante parecido al mío basado en Gaia, un poco menos rojo y tirando al champagne. Aquí puse los dos, ajustando el brillo para que sean comparables (el de Gaia es el de la izquierda):

No sé si es casualidad, pero en mi vestuario hay un montón de ropa de estos colores...

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Los datos de Gaia son gratis y abiertos al público:

This work has made use of data from the European Space Agency (ESA) mission Gaia (https://www.cosmos.esa.int/gaia), processed by the Gaia Data Processing and Analysis Consortium (DPAC, https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/dpac/consortium). Funding for the DPAC has been provided by national institutions, in particular the institutions participating in the Gaia Multilateral Agreement.

Una alternativa a usar la temperatura efectiva del catálogo (que no está medida, sino calculada) es usar las magnitudes por banda de color (pero habría que leerse la documentación correspondiente, para convertirlas a RGB), o el pseudocolour (también, andá a saber cómo convertirlo a RGB). No creo que haya mayores diferencias en el resultado.

Vaivenes del universo infinito

Reflexionando sobre lo que conversaríamos con Pablo Bernasconi y Diego Galperín en el contexto de la muestra El Infinito (se puede ver en YouTube), me vinieron a la mente los vaivenes que la idea del tamaño y la edad del universo sufrió a lo largo de la historia.

En los mitos primitivos el universo es finito, y de hecho, pequeño, a lo sumo rodeado de un caos, o un mar, o un vacío que, más que infinito, es indeterminado. Fue creado por un ser sobrenatural en algún momento del pasado, pero no hace mucho. No todas las religiones antiguas sostuvieron estos conceptos, pero casi todas. Una notable excepción es el Hinduísmo, con infinitos universos que se suceden cíclicamente.

El primero en sostener que el universo era infinito fue Anaximandro (y con él, los atomistas milesios, como Demócrito). Sólo conocemos su obra a través de referencias, ya que todos sus escritos se han perdido. Parece que sostenía que el infinito era la causa material de todas las cosas, incluídos los cielos y los mundos (plural). En su cosmología, la Tierra flota inmóvil en medio de un espacio infinito, con las estrellas, el Sol, la Luna y los planetas, girando alrededor. Anaximandro, como buen discípulo de Tales (a quien en este blog hemos llamado fundador de la ciencia), sería el autor del primer modelo físico, material, del universo.

Los filósofos griegos más conocidos, Platón y Aristóteles, repudiaron la cosmología de los atomistas de Mileto. Su universo finito, circunscripto por la esfera de las estrellas y puesto en marcha por el Primer Motor Inmóvil, fue abrazado por el Cristianismo hasta el Renacimiento.

Nicolás de Cusa, un teólogo alemán del siglo XV, fue uno de los primeros impulsores del humanismo renacentista. Sostuvo que la Tierra era uno más entre infinitos mundos (las estrellas), y usó una metáfora que reaparece muchas veces, llamada habitualmente la esfera de Pascal: el universo es una esfera cuyo centro está en todos lados, y su circunferencia en ninguno. Borges menciona incluso algún antecedente del cusano. Si el centro está en todas partes, uno puede marcarlo donde quiera, como en este monumento que encontramos en la Universidad de New Mexico, en Albuquerque, y que ya habíamos comentado.

La infinidad de mundos es el concepto central por el que recordamos a Giordano Bruno y su lamentable ejecución en la hoguera. Es conceptualmente lo mismo que el espacio infinito que caracteriza la cosmología de la Revolución Científica del siglo XVII (Newton, por ejemplo).

Infinito, hasta que a alguien, a fines del siglo XVIII, se le ocurre contar las estrellas. William y Caroline Herschel contaron las estrellas del cielo en todas direcciones, "para no apartarse del camino de la verdad y la naturaleza" (sic), y llegaron a la conclusión de que formaban un sistema finito, chato (como hoy sabemos que es nuestra galaxia), y que más allá no había nada, sólo un "espacio indefinido" (no dice infinito). ¡Bastante parecido a los mitos precientíficos!

Mientras tanto los geólogos habían empezado a sospechar que la Tierra era más antigua que lo que las Escrituras decían. Mucho más antigua. La Tierra tenía por lo menos millones de años. ¿Acaso el universo sería eterno, viniendo desde un infinito pasado, sin un origen? 

Por otro lado, un universo infinito y eterno llevaba a una paradoja, que usualmente lleva el nombre de Olbers: si el universo fuera infinito, eterno y lleno uniformemente de estrellas, el cielo nocturno no podría ser oscuro. En cualquier dirección en que mirásemos, la línea visual acabaría en la superficie de una estrella, y el cielo sería brillante. Curiosamente, la solución a la paradoja propuesta por Edgar Alan Poe ha sido vindicada por la ciencia moderna: la distancia a ese fondo invisible es tan inmensa que la luz de sus estrellas no ha tenido tiempo de llegarnos. O sea, el universo tiene un origen, un principio. Es un universo dinámico, con un horizonte hasta el cual podemos ver. 

Recién en 1909 Harlow Shapley descubrió, contando cúmulos globulares, que la galaxia de Herschel era mucho más grande que lo imaginado, y que el Sol no estaba en el centro sino más bien cerca de un borde. 

En 1922 Alexander Friedmann, valiéndose de las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General, demostró matemáticamente que el universo podía estar expandiéndose a partir de un tamaño nulo en un instante inicial. ¡Un universo dinámico! Poe, reivindicado. El trabajo de Friedmann, además, permitía que el universo fuera infinito, contradiciendo la posición bien establecida por entonces en el mundillo astronómico. 

Al año siguiente, 1923, Edwin Hubble descubrió que había otras galaxias, que la "nebulosa" de Andrómeda era un sistema como la Vía Láctea, inmenso y lejanísimo, así como muchas de las otras nebulosas. El universo pasó, en un año, de tener una galaxia a ser, una vez más, infinito.

En 1927 el cura católico George Lemaitre redescubrió independientemente el resultado de Friedmann: el universo se está expandiendo a partir de un instante inicial (que insistió en no identificar con el Génesis bíblico). Simultáneamente Hubble, Slipher y otros estaban descubriendo el corrimiento al rojo de los espectros de las galaxias. Hubble publicaría dos años después que aumentaba proporcionalmente con su distancia, tal como predecían las ecuaciones de Friedmann-Lemaitre.

Fast forward hasta 1965: Penzias y Wilson descubren el fondo cósmico de microondas, exactamente como predijeron décadas antes los fundadores de la teoría que hoy llamamos popularmente Big Bang: el universo visible es finito, y comenzó en un estado denso y caliente hace miles de millones de años, como canta la canción de The Big Bang Theory.

Las ecuaciones de Friedmann (según varios teoremas demostrados en los años 1970, entre otros por Penrose y Hawking) requieren un comienzo singular del universo: tamaño nulo, densidad infinita, temperatura infinita. El infinito del espacio y del tiempo parecía haberse refugiado en una imposibilidad física original.

En la década de 1980 una nueva propuesta vino a resolver varios problemas inexplicados que se observaban en el fondo cósmico de microondas: la inflación cósmica, un estado anterior al Big Bang caliente. La inflación hizo además un puñado de predicciones, casi todas las cuales ya han sido verificadas por observaciones. Así que hoy en día está prácticamente tan establecida como el Big Bang caliente. ¿Pero de dónde salió?

La inflación pudo ser eterna, y venir inflando el espacio desde una infinita profundidad de los tiempos, al estilo del infinito primordial de Anaximandro. O tal vez la inflación tiene lugar dentro de la Teoría de Cuerdas, que cuantifica la gravedad y podría evitar la singularidad. O tal vez la manera correcta de cuantificar la gravedad es con una descripción granular (¿o espumosa?) del espacio-tiempo, llamada Gravedad Cuántica de Lazos, que evita seguro la singularidad y parece decir que el universo debería ser cíclico, al estilo del del Hinduísmo. No lo sabemos con certeza: las teorías que cuantifican la gravedad necesitan más desarrollo, y finalmente un espaldarazo observacional, para que podamos estar seguros.

Lo que sí sabemos es que la medición de la curvatura del espacio, llevada a cabo con precisión del 0.2% por el satélite Planck, es compatible con un universo infinito. ¿Será?  

 

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La imagen promocional de El Infinito es de Pablo Bernasconi.  

La imagen de la Vía Láctea de Herschel es de su paper: Herschel, On the construction of the Heavens, Philosophical Transactions (1785). 

La imagen de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas es de ESA/Planck.

La imagen de las galaxias sobre un cielo oscuro es de NASA/ESA/CSA/JWST.

Las otras fotos e imágenes son mías.