El choque de Faetón

Todos conocemos algún caso, o incluso tal vez nos pasó a nosotros mismos: el padre con un auto tentador, el hijo que se lo pide prestado, el padre que lo presta, el joven canchero que se lo lleva... ¡y lo choca! Ay, ay, ay, ay, ay...

Esto fue en Bariloche hace un par de meses, pero ocurrió durante toda la historia humana. ¿O no?

Faetón era el hijo de Helios, el dios Sol, quien tenía el mejor carro de todos: deslumbrante, dorado, tirado por cuatro magníficos caballos blanquísimos que respiraban fuego, y que en su tránsito diurno iluminaba y calentaba la Tierra. Faetón quería manejarlo, y Helios se lo prestó a regañadientes (según otras fuentes, el pibe se lo robó, pero como en la noticia actual se menciona el consentimiento del padre, vamos hoy con esa versión). Y claro, hizo cualquiera. Se acercó demasiado a la Tierra y calcinó el África (oscureciendo a los etíopes). Quiso evitar el choque y terminó alejándose y congelando a los lapones. Al final lo choca (o Zeus lo finiquita con un rayo) y cae al río Erídano. Casi como el de la foto, que terminó en la zanja.

Hoy, Faetón es un asteroide (3200 Phaeton). Un asteroide que se cree que es cometa, porque tiene una órbita muy elongada y que pasa muy cerca de (su padre) el Sol (a pocos millones de kilómetros), porque es azul en lugar de rojo (como todo asteroide que se precie de tal), y porque lo acompaña una cola de polvo. Es como un cometa seco, digamos. Como la Tierra cruza la órbita de Phaeton, periódicamente se lleva por delante la nube de polvo que gira junto al asteroide, lo cual produce una lluvia de meteoros, las estrellas fugaces Gemínidas, en diciembre (bien ubicadas para nuestro hemisferio). 

Hace poco la Sonda Solar Parker cruzó la órbita de Phaeton, convirtiéndose en una nueva plataforma para analizar sus peculiaridades. Un trabajo analiza lo que se sabe y analiza distintas posibilidades para la formación de la nube de polvo: un origen tipo cometa, activado por acción del Sol, y uno más catastrófico, como si se hubiera liberado todo en un solo evento, como el choque con otro asteroide o la fractura de un cuerpo preexistente (hay otros dos asteroides parecidos a Faetón, y podrían haber sido todos parte del mismo objeto en el pasado). 

Los distintos modelos dan distintos resultados. En particular, como muestra la figura de arriba, en la distribución del polvo (colores rosas a amarillo) a lo largo de la órbita de Phaeton (verde; el arquito naranja es la órbita de Parker). ¿Y cuál es la que mejor representa las observaciones? ¡La del choque! ¿Y cuándo se habría producido ese choque? ¡Hace 2000 años, cuando todavía alguien le prendía una vela a Helios! O le hacía un asado, porque religiones eran las de antes.

Me encanta cuando el universo, tan prolijito, tiene en cuenta hasta los mitos de los antiguos griegos.  

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La foto del auto estrellado es del Diario El Cordillerano, de Bariloche. La pintura de la caída de Faetón es de Jan Carel van Eyck, Museo del Prado, fotografiada por Jl FilpoC (CC BY-SA).

El paper es Cukier & Szalay, Formation, Structure, and Detectability of the Geminids Meteoroid Stream, The Planetary Science Journal 4:109 (2023).

La edad de oro del Cavendish

Habíamos dejado al Laboratorio Cavendish bajo la dirección de JJ Thomson, descubridor del electrón. En 1919 Ernest Rutherford (de quien ya hemos hablado) se hizo cargo de la dirección. Nacido en Nueva Zelanda, Rutherford fue uno de los físicos más extraordinarios del siglo XX. Llegó al Cavendish desde Manchester, donde junto a Geiger y Marsden habían logrado algo increíble: descubrieron la estructura de los átomos. Hoy parece una trivialidad, pero hace 100 años era un misterio milenario, que había intrigado a filósofos y científicos desde la Antigüedad. Rutherford era un profesor inmensamente generoso: ni siquiera aparece como autor en el paper de Geiger y Marsden. Me resulta increíble que no les hayan dado el Premio Nobel a los tres por semejante logro. Claro que Rutherford ya había ganado un Premio Nobel (de Química) por haber realizado la proeza que desvelaba a los alquimistas: había convertido un elemento químico en otro. Pero todo esto fue antes del Cavendish. 

En el pequeño museo del laboratorio hay unos aparatos increíbles de esa época. Está, por ejemplo, la cámara de niebla de Wilson, por la cual recibió el Premio Nobel de Física en 1927. La cámara de niebla permite visualizar la trayectoria de las partículas subatómicas que la atraviesan en forma de delicadas estelas de condensación (como las de los aviones, pero en miniatura). Con este instrumento Wilson hizo una enorme cantidad de descubrimientos sobre la física de las partículas subatómicas y la radiactividad, que en ese momento eran el sustento experimental de la física cuántica que se desarrollaba en paralelo (principalmente en Alemania y Dinamarca, si bien Dirac estaba también en Cambridge). De no haber sido por la cámara de Wilson, nada en esa época hubiera sido posible en física de partículas. El cartel junto al precario instrumento señala que William Bragg (director años después) estaba juntando instrumentos históricos para armar este museo, y le preguntó a Wilson si ésta era la original. Wilson contestó con su fuerte acento escocés: "Therr was neverr but the one". Su fabricación había costado £5 (unas 500 de hoy, lo que cuesta un Samsung Galaxy S20, ponele).

Rutherford le encargó a Patrick Blackett que mejorara la cámara de Wilson combinándola con un contador de Geiger, para tomar fotos cuando una partícula la atravesara. Esto desató una cantidad fenomenal de descubrimientos, en particular sobre rayos cósmicos. Junto a Beppo Occhialini descubrieron así la antimateria (el positrón fue la primera antipartícula que observaron), lo cual los llevó a ganar el Premio Nobel en 1948. Blackett fue el director de la tesis del joven americano Robert Oppenheimer, ahora de cinematográfica fama. No se llevaron bien, y Oppenheimer trató de asesinarlo con una manzana envenenada. Blackett pudo terminar como Turing, pero zafó porque no se comió la manzana. Oppenheimer prefería la física teórica, y ya se sabe la grieta que hay entre experimentales y teóricos, pero la verdad que no se justifica intentar matar al director, ¿no?

El descubrimiento del positrón fue en el "año milagroso" del Cavendish, 1932. Ese mismo año John Cockroft (a instancias de Rutherford) construyó el primer acelerador de partículas, con el cual descubrió la fisión nuclear, y James Chadwick (idem) lo usó para descubrir el neutrón. Ambos premios Nobel, obvio. Esta es la foto de los muchachos (¡y ya hay dos chicas!) del '32:

En la fila de adelante, el segundo desde la izquierda es Pyotr Kapitza, el estudiante favorito de Rutherford. Al principio no lo quiso, le resultaba sospechoso que viniera de la Unión Soviética. Le dijo que no toleraría propaganda comunista en su Laboratorio. Kapitza fundó un club muy exitoso, el Club Kapitza, con el propósito de romper el hielo entre los estudiantes y los profesores británicos. Y fue quien le puso de sobrenombre Cocodrilo, un nombre que se hizo famoso. Terminaron siendo grandes amigos. Un cocodrilo de piedra adorna el último edificio que se construyó en la zona del viejo laboratorio, antes de mudarse a la sede actual por sobrepoblación.

Kapitza ganó el Premio Nobel de Física en 1978 por sus inventos y descubrimientos en el campo de la física de bajas temperaturas. Tal vez los más importantes sean este aparato (1934), que permitía licuar grandes cantidades de helio, con el cual descubrió el sorprendente fenómeno de la superfluidez: el helio súper frío no se deja contener en el recipiente donde se lo pone, fluye sin resistencia, se trepa por las paredes, se escapa de donde lo pongas. 

Tras la lamentable muerte de Rutherford en 1937 lo reemplazó William Bragg, Premio Nobel 1915 junto a su hijo Lawrence, y amigo de Rutherford de toda la vida. Bragg padre había empezado a estudiar la física de los rayos X en Australia muchos años antes de llegar a Cambridge, pero su descubrimiento crucial fue que se podían usar para analizar la estructura cristalina de las substancias sólidas. Como un microscopio para revelar las posiciones de los átomos. Este trabajo lo hizo mientras trabajaba en Leeds, junto a su hijo que era estudiante en Cambridge. En el museo está el espectrógrafo de rayos X que le mandó a Lawrence, y la plaquita de mica que usaron en sus primeros experimentos:

Esas manchitas borrosas en la placa de rayos X revelan la estructura cristalina. Años después, la misma técnica sería la clave para que James Watson y Francis Crick, ambos del Cavendish, descubrieran la estructura en doble hélice del ADN. La espectrografía había sido hecha por Rosalind Franklin, del Imperial College de Londres (a quien no reconocieron el crédito de las imágenes). Watson y Crick construyeron un modelo de metal de la molécula, porque era muy difícil de imaginársela sin las técnicas informáticas y de video que tenemos ahora. En el museo hay una copia, la original está en el Museo de Ciencias de Londres.

En el Cavendish se hizo también mucha astrofísica, principalmente usando los sucesivos instrumentos en el Observatorio Mullard, en un campito en las afueras de Cambridge. Todos radiotelescopios, con lo que llueve acá no se me ocurre que se pueda hacer mucha astronomía óptica. No sé cómo se las arreglaba Eddington, por ejemplo, de quien hablaremos otro día. Aquí se hizo el primer mapa del fondo cósmico de microondas, por ejemplo, y se compilaron los sucesivos Catálogos de Cambridge (3C, 4C y 5C son iniciales que aparecen en la designación de muchos objetos astronómicos emisores de radio). Aquí nació también la radioastronomía de apertura sintética usando el movimiento de la Tierra (con el One-Mile Telescope), técnica que ahora usa el Event Horizon Telescope para lograr la asombrosa resolución que está permitiendo explorar los agujeros negros supermasivos y sus chorros de energía. Pero el descubrimiento más famoso es el que hicieron Jocelyn Bell y Antony Hewish el 6 de agosto de 1967 a las 19:20 horas: los púlsares, estrellas de neutrones que giran a la velocidad de una licuadora. Hewish recibió el Premio Nobel en 1974 y Bell... nada. ¡Oia! No todos eran generosos como Rutherford, que ni te salía en el paper.

La cinta de registro original está en la Biblioteca Central, todavía no fui a visitarla. Pero en el museo hay un montón de aparatos de radio raros, que muestran el progreso de la tecnología. Como este receptor de un radiotelescopio de 175 MHz, completamente analógico. Al lado (parcialmente tapado por el cartel) se ve uno de estado sólido mucho más moderno.

Bueno, basta. El Laboratorio Cavendish se mudó en la década de 1970 a su sede actual, varios edificios en West Cambridge que llevan los nombres de miembros famosos de su historia. En el edificio Bragg es donde está el museo.

Se encuentra en construcción, muy avanzado, Cavendish III, donación de la familia de Ray Dolby (sí, el del audio; estudió en el Cavendish). Es inmenso, lo que se ve en la foto es como una cuarta parte. Habrá que volver cuando esté terminado.

El viejo Cavendish

En camino a una reunión con unos zoólogos en el centro de Cambridge, que estudian suricatas y estaban interesados en nuestro trabajo con el movimiento de tortugas, nos topamos con este edificio:

Las paredes de piedra, y la entrada ojival, podrían sugerir que es uno más de los tantos edificios universitarios góticos de la ciudad. Pero las ventanas rectangulares delatan una era más pragmática. Es nada menos que el Laboratorio Cavendish, el legendario Departamento de Física de la Universidad de Cambridge. 

Hasta la segunda mitad del siglo XIX la universidad no tenía un centro para enseñar e investigar física experimental, y se estaban quedando rezagados con respecto a las universidades europeas. En 1871, William Cavendish, duque de Devonshire y Rector de la Universidad donó £6300 (como un millón a valores de hoy) para construir un laboratorio. James Clerk Maxwell (que se había graduado en matemáticas en Trinity College un par de décadas antes) fue designado Profesor e inmediatamente se puso a diseñar el edificio y a comprar el instrumental para equiparlo. En el pequeño museo que se puede visitar en la sede actual del Laboratorio (en West Cambridge, no en el edificio de la foto), están exhibidos muchos de los aparatos de Maxwell, así como de toda la gloriosa historia posterior. 

También están su escritorio original y algunos documentos. Por ejemplo, esta tarjeta postal que le mandó Maxwell a Peter Tait, su colega, amigo y compatriota en Edimburgo. Está dirigida a «Dear T'», en referencia a que T era William Thomson, Lord Kelvin (había un T", que era Tyndall). Thomson y Tait habían publicado un bien conocido libro de texto, Treatise on Natural Philosophy, que Maxwell había bautizado el T&T', nombre que pegó en la comunidad académica. La primera parte de la tarjeta postal tiene una fórmula del análisis matemático, seguida de unas preguntas («Do you know...? Poisson? on light???») donde parece pedirle referencias. Claro: el tipo era un genio, pero no podía googlear. 

Y después le dice «Any suggestions about physical laboratories thankfully received». Lo dicho: no podía googlear. Sigue: «Evitar paredes y techos de yeso donde no haya maderas para ajustar tornillos, y poner muchos pilares y vigas de madera, sin enyesar. ¿Y qué tal motores eléctricos [algo que no entiendo] baterías?». El tipo venía de publicar la teoría del electromagnetismo, la segunda gran unificación de la física (unificando los fenómenos aparentemente dispares de la electricidad y el magnetismo; la primera fue la de Newton, de los fenómenos terrestres y celestes), y aquí lo tenemos, casi con la cuchara de albañil en la mano. Igual, Tait era un matemático, andá a saber lo que le contestó. Maxwell firma de manera chistosa: dp/dt (derivada temporal de la presión), en referencia a una fórmula termodinámica que aparece en el libro T&T': dp/dt = j c m, donde a la derecha del signo igual aparecen las iniciales de Maxwell. Un nerd total.

Otro documento interesante es un plano del edificio, modificado en lápiz rojo por el propio Maxwell. El tipo estaba realmente en los detalles:

Por supuesto, lo más interesante son los instrumentos. En la vitrina que mostré arriba se destaca este hermoso espectroscopio:

Nótese que entre los dos tubos (el de la izquierda es el colimador, y el de la derecha el telescopio) falta el elemento dispersor, posiblemente un prisma de vidrio. Yo también tengo un espectroscopio (tal vez no tan antiguo, pero casi) que, a diferencia de éste, funciona perfectamente. Lo restauré hace poco, pueden verlo aquí.

En otra vitrina me llamó la atención este aparato, hecho para demostraciones de clase, imagino, que viene a ser un modelo mecánico de los anillos de Saturno. Hoy en día hacemos estas demostraciones en la computadora para mostrarles a los chicos. Es la misma idea, con otra tecnología. 

En el cartel dice que Airy sostenía que el trabajo de Maxwell sobre los anillos de Saturno era la más notable aplicación de la matemática que jamás había visto. Maxwell demostró, impulsado por la fuerza de la lógica y la física, que los anillos debían estar compuestos por partículas de movimiento independiente, cada una siguiendo su propia órbita alrededor del planeta, como tantas lunitas. Y cita de una carta: «Sigo con los anillos de Saturno. En este momento, dos anillos que se perturban uno al otro. He diseñado un aparato para exhibir el movimiento de los satélites en un anillo perturbado, y Ramage lo está haciendo, para edificar a los sensatos adoradores de imágenes». Como estoy escribiendo un paper sobre los anillos de Saturno, me llamó la atención. 

En el otro extremo de ese estante hay otro aparato notable:

Mientras editaba los trabajos de Henry Cavendish sobre fenómenos eléctricos, Maxwell usó este aparato para verificar la ley de repulsión y atracción eléctrica entre cargas que, de acuerdo a la Ley de Coulomb, depende de la inversa del cuadrado de la distancia (igual que la Ley de Gravitación de Newton). Maxwell logró determinar que la potencia no difiere de 2 en más de una parte en 21600, una medición notable. Cavendish (antes de Coulomb) lo había medido usando una balanza de torsión, que también está allí atrás, con precisión de 1 parte en 50.

Después de Maxwell, se hizo cargo de la dirección del laboratorio otro físico famoso: John William Strutt, más conocido por su título nobiliario: Lord Rayleigh (sí, el que explicó el color del cielo). Hay aparatos históricos de esa época en esta vitrina.

¿Qué habrá dentro de todos esos cajoncitos? Por las dudas que sonara una alarma y apareciera el MI6, no toqué nada. Los anillos que se ven en la parte más cercana son dos bobinas, usadas por Rayleigh para determinar el valor del Ohm, la unidad de resistencia eléctrica. Fueron diseñadas y enviadas a fabricar por Maxwell, de acuerdo a un experimento descripto en su obra Electricidad y Magnetismo, pero murió antes de poder realizarlo. Rayleigh y Grazenbrook completaron el proyecto de Maxwell, con este y otros aparatos similares que también se exhiben.

En el extremo lejano de la vitrina hay varios aparatos de la época del siguiente director, J. J. Thomson (Joseph John, pero todo el mundo usa las iniciales). Thomson se dedicó particularmente al fenómeno de descargas eléctricas en el vacío y en gases muy diluídos. Es el fenómeno que hoy en día usamos en las lámaparas fluorescentes, en los aparatos de rayos X, y hasta no hace tanto en los televisores. Este es uno de los tubos de Thomson:

Detrás del tubo se ve parte de una de las bobinas que se usaban para producir el alto voltaje necesario para la descarga eléctrica entre el ánodo y el cátodo. Thomson usó estos tubos para muchísimos experimentos cruciales que empezaron a develar la estructura de la materia, algo conjeturado por los filósofos desde la época de los antiguos griegos. Con este tubo particular, en 1897, Thomson hizo un experimento crucial: demostró que los rayos catódicos tenían carga negativa (se desviaban al aplicar un voltaje a las chapas metálicas que se ven dentro). Un segundo experimento (que no estaba en la vitrina, pero que yo hice en el curso de Física Experimental en el Balseiro) mostraba que, además, los rayos se deflectaban en una trayectoria helicoidal en un campo magnético. Ambos resultados lo llevaron a concluir que los rayos estaban compuestos por partículas materiales, con carga negativa y masa, que en la proximidad del cátodo eran arrancadas de los átomos por el intenso campo eléctrico: los electrones. Fue la primera partícula fundamental en ser descubierta. Thomson empezó a imaginar que los átomos estaban formados por estos corpúsculos, inmersos en un mar de carga positiva. Tal vez una influencia de los increíbles scons con pasas que se compran acá en cualquier panadería. Un modelo que el siguiente director, Ernest Rutherford, desmentiría. 

Pero esta nota ya se hizo muy larga, así que dejo la segunda mitad de la historia del Laboratorio Cavendish para otro día. Termino con esta foto, de Thomson rodeado por sus estudiantes en 1897.

A lo largo de las paredes del museo están estas fotos año por año. Curiosamente, la primera en color es de un siglo después, la de 1996. La pongo para comparar el crecimiento del laboratorio.

 

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El Laboratorio Cavendish es el Departamento de Física experimental de la Universidad de Cambridge. Casi toda la física teórica está en el DAMTP (Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics) que es parte del Centre for Mathematical Sciences, donde también está el Newton Institute, donde estoy actualmente.

Al día de hoy hay 30 Premios Nobel (de Física, de Química y de Fisiología y Medicina) asociados al Laboratorio.

La edición y publicación de la obra de Henry Cavendish fue la principal tarea científica de Maxwell durante sus años como director. Quedó tan impresionado que decidió cambiar el nombre del laboratorio, que inicialmente se llamaba Devonshire, por el de Cavendish. Otro día contaré también algo de él. Hoy basta decir que era nieto de William Cavendish, segundo Duque de Devonshire; el que donó el laboratorio fue el séptimo, y el de la banana es el sexto.

Puede fallar

A veces uno llega a una conclusión incorrecta. "Puede fallar", decía nuestro amigo Tu Sam. A veces los datos son insuficientes. A veces uno los interpreta incorrectamente. A veces uno prejuzga e impone un sesgo a las conclusiones. A veces uno, simplemente, se equivoca. 

Parece que algo así les pasó a estos astrónomos, que vieron esto en unas imágenes del telescopio Hubble:

¿Ven esa línea tan recta? Parece salir de la galaxia que está arriba y a su derecha. Los tipos conjeturaron que habría alguna conexión, porque le está apuntando justo justo. La imagen de la raya tiene algunos grumos, que por su color parecen ser regiones de formación estelar reciente, a una escala gigantesca y súper alineadas. Entonces conjeturaron un mecanismo: a raíz de una serie de colisiones de galaxias, uno de los agujeros negros centrales salió expulsado, y empezó a viajar solito por el espacio intergaláctico. A pesar de la escala mucho mayor, no es muy distinto de lo que ya hemos contado sobre estrellas fugitivas. El espacio entre las galaxias está casi vacío, pero casi no es del todo. El agujero negro fugitivo habría comprimido el tenuísimo gas, disparando una formación de nuevas estrellas que fue dejando sembradas a su paso. El mecanismo imaginado requería dos colisiones en sucesión, ilustradas esquemáticamente así:

Según ellos, las líneas espectrales, los colores y la morfología general son consistentes con este mecanismo: un reguero de estrellas (más sus planetas, lunas, cometas, asteroides, montañas, océanos, volcanes y la mar en coche) producido por un agujero negro gigante en fuga de su galaxia. ¡Colosal!

Un par de meses después, otros astrónomos publicaron una explicación alternativa: sería simplemente una galaxia vista de costado. Así la comparan con otra galaxia del mismo tipo (más cercana y mejor resuelta), mostrando que morfológicamente son extremadamente parecidas:

El gráfico de la derecha muestra el perfil de las velocidades de rotación de las estrellas girando en el plano de la galaxia, medidas con una línea de emisión espectral. La nueva explicación no sólo es más convencional (una galaxia sin bulbo, común y corriente) sino que se ajusta mejor a las observaciones (la curva de velocidades). 

Habrá que ver si los autores originales insisten, eventualmente con otros datos, porque así como está la cosa, el agujero negro supermasivo sembrando estrellas a lo largo de doscientos mil años luz se esfumó.

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El paper original es: van Dokkum et al., A Candidate Runaway Supermassive Black Hole Identified by Shocks and Star Formation in its Wake, Astrophys. J. Lett. 946:L50 (2023).

El que reinterpreta la observación es: Sánchez Almeida et al., Supermassive black hole wake or bulgeless edge-on galaxy? A&A Letters (2023).

Las imágenes están tomadas y adaptadas de ambos papers.

"¿Tu Sam era amigo tuyo?", "Claro, le decía de tú." Creo que se lo escuchá a Mundstock.