El olor del mar

A menos que vivas en el proverbial tupperware, seguro que viste la noticia sobre la posible detección de un planeta con vida extraterrestre. ¿Qué hay de cierto? ¿Le creemos o no le creemos? Vamos a revisarlo brevemente, a ver dónde estamos parados.

El planeta existe. Está en órbita de una estrella que se encuentra a 124 años luz de distancia, en la cola de Leo. Casualmente estuve haciendo fotos en Semana Santa, así que aproveché para fotografiarla:

La estrella HD 99904, de séptima magnitud, me sirvió de referencia para ubicar la de la noticia: K2-18, que es mucho más tenue. Alrededor de esta estrella está el planeta K2-18b (nótese la "b", indicando que es un planeta), descubierto por el telescopio espacial Kepler (nótese la "K") en su segunda temporada de observaciones (nótese el "2"). Este planeta pasa por delante de su estrella (como Venus delante de nuestro Sol), y le resta un par de milésimas de magnitud al hacerlo: 

Estas observaciones permiten deducir que es más grande que la Tierra, y bastante más pesado. Tal vez sea una "supertierra", tal vez un "minineptuno". Su órbita lo ubica muy cerquita de la estrella, pero como es una estrella enana roja, que emite mucha menos radiación que nuestro Sol, su apretada órbita queda justo en la zona donde podría tener agua líquida en la superficie, como nuestra Tierra. En tal caso, podría ser un planeta "hiceánico": un mundo cubierto por un océano global, con una densa atmósfera de hidrógeno. Puede ser, puede no ser. La verdad que no conocemos por ahora ningún planeta de este tipo, sólo conjeturados teóricamente. 

Como el planeta pasa delante de la estrella, se puede analizar su atmósfera observando cómo se filtra la luz cuando la atraviesa. Es increíble, pero se puede hacer. La cuestión es que unos astrónomos de Cambridge (los mismos del anuncio reciente) lo hicieron en 2023, usando el telescopio Webb. Anunciaron la detección de metano y dióxido de carbono, pero nada de agua. Uno diría que si es un planeta hiceánico, debería tener abundante agua en la atmósfera. Pero andá a saber, capaz que tiene una estratósfera súper seca. También observaron de manera tentativa otra molécula orgánica, el dimetilsulfuro. Este año volvieron a observarlo, más tiempo y con otro instrumento del Webb (en otra longitud de onda), y dicen que pueden confirmar, de manera marginal, la presencia de dimetilsulfuro y un dímero del mismo, el dimetil-disulfuro. 

Fíjense que las observaciones (los puntos rojos) tienen bastante incerteza (las cruces rojas). A partir de ellas, un método computacional permite calcular un espectro posible (azul, con incerteza en verdes), en el cual se ven unos picos, que corresponderían a substancias presentes en la atmósfera. El gráfico muestra dónde deberían estar los picos correspondientes al dimetilsulfuro (DMS) y el disulfuro (DMDS). Ellos mismos dicen que hay que tomar sus observaciones con cautela, pero que tener la señal con otro instrumento les da confianza de que sea cierta. Habrá que ver. Estas observaciones son difíciles y delicadas. Hay que tener paciencia. Seguramente algún otro grupo, o ellos mismos, intentarán volver a observar, repitiendo y ojalá mejorando, el espectro. No hay que decir ni "eureka", ni "es mentira, no vieron nada". 

Esto por un lado. Supongamos que se confirma la presencia de dimetilsulfuro, junto con la de metano y CO2. Esta última también es dudosa, pero supongamos que se confirma. Todas ellas, en la Tierra, son substancias que emiten los seres vivos. El dimetilsulfuro, especialmente, en la Tierra sólo la producen los microbios, y es extremadamente frágil, de manera que su presencia requiere una fuente continua que la restablezca. Dicen que contribuye al olor del mar. O al olor del repollo hervido. Dice también mi amigo Martín Moliné, que es microbiólogo, que se la puede sentir en la cerveza artesanal como un gusto a choclo, si se enfría lento después de hervir los granos para preparar el mosto. Pero me estoy yendo por la ramas. Supongamos que se confirman esas substancias: ¿será que el planeta está vivo? Tampoco estaremos seguros. Es posible que haya mecanismos no biológicos de producirlas (ciertamente los hay para el metano y el CO2). Seguramente los haya para el DMS, que ha sido detectado (en cantidades muy mínimas, hay que decir) en al menos un cometa, y en el espacio interestelar. ¿Entonces?

A mí me resulta suficientemente fascinante que estemos en condiciones, por primera vez en la historia de la humanidad, de analizar este problema de manera científica, mediante observaciones y experimentos. Está clarísmo que, a falta de una muestra para analizar en el laboratorio (de Marte, de Europa, de Encélado), o de un mensaje de radio incontrovertible, este tipo de observaciones son las que nos aproximan al descubrimiento de vida extraterrestre. Recién estamos empezando a hacerlo. No va a ser fácil, pero tampoco hay que saltarles al cuello a los tipos de Cambridge, que me parecieron bastante cautos en el paper. Por supuesto, ellos creen que lo que han descubierto es real y que apunta en la dirección de la existencia de vida: 

«Therefore, sustaining DMS and/or DMDS at over 10–1000 ppm concentrations in a steady state in the atmosphere of K2-18 b would be implausible without a significant biogenic flux.»

(Por lo tanto, sostener concentraciones de DMS y/o DMDS en valores de 10-1000 partes por millón, en forma estacionaria, en la atmósfera de K2-18b, sería inverosímil sin un flujo de origen biológico sostenido.)

Si no lo creyeran, estarían haciendo otra cosa, ¡los científicos son seres humanos! Obviamente, los medios se lanzaron como tiburones sobre la noticia, y la convirtieron en un título sensacionalista. A nadie le importó que los autores reconocieran que: 

«Robustly establishing both the veracity of the present findings and their possible association with life on K2-18 b needs a dedicated community effort in multiple directions—observational, theoretical, and experimental.»

(Establecer de manera robusta tanto la veracidad de estos descubrimientos, como su posible asociación con la vida en K2-18b, necesita un esfuerzo comunitario dedicado y en múltiples direcciones: observacional, teórico y experimental.)

Inclusive agregan esto, que es muy cierto:

«It is widely recognized that the detection of a biosignature is unlikely to be instantaneous or unambiguous in the first instance, rather relying on continued accumulation of evidence.»

(Es ampliamente reconocido que la detección de un biomarcador difícilmente sea instantánea o inequívoca la primera vez, y que en cambio dependa de una continua acumulación de evidencia.)

Obviamente, siempre habrá gente que no les va a creer. Por más que se identifique fuera de toda duda razonable la existencia de 100 biomarcadores, cada uno de los cuales requiera una vía independiente para justificar su existencia no biológica, habrá quien prefiera creer en la existencia de 100 explicaciones separadas, en lugar de una única que explique todas: que el planeta esté vivo. Eso siempre va a pasar. Será una cuestión más de dinámica social que otra cosa, que alguna vez se reconozca una observación de este tipo. Tal vez, dentro de 200 años, algún historiador señale la publicación de este trabajo como la primera evidencia de la existencia de vida extraterrestre. ¿Elijo creer?

 

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El paper es: Madhusudhan et al, New constraints on DMS and DMDS in the atmosphere of K2-18 b from JWST MIRI, ApJL 983:L40 (2025).

La estrella está en Leo, que se ve en esta época del año hacia el norte, desde nuestras latitudes. Por si quieren encontrala, o al menos mirar en su dirección, les dejo un mapita:

Espectros del espacio exterior

No es el título de una película de terror clase B. Estos son verdaderos espectros: arcoiris obtenidos con un espectroscopio y graficados como una curva de intensidad para cada color. El espectroscopio es el segundo instrumento favorito del astrónomo, ya que permite medir composiciones químicas, temperatura, movimiento, campos magnéticos, clasificar estrellas, descubrir planetas, escudriñar el Big Bang... todo a distancia, sin tocar el objeto que se estudia. Entre todas estas cosas, los espectros se usan para identificar el tipo de las supernovas.

Todo esto viene a propósito de, una vez más, la reciente supernova SN2017cbv. De acuerdo al Transient Name Server (TNS), la supernova fue descubierta por Valenti, Sand y Tartaglia el 10 de marzo a las 4:06, y archivada a las 4:10 como "posible supernova". Ni lerdos ni perezosos, Hosseinzadeh y otros midieron su espectro a las 20:17 del mismo día. El espectro de aquí a la derecha es el que archivaron en el TNS, anotado por mí como explicaré más abajo.

Éste es un esquema de libro de texto de los espectros de supernovas de distintos tipos. Como puede verse, el espectro que obtuvieron para SN2017cbv es parecido al de una de tipo Ia (se dice "uno-a") pero no exactamente igual. A mí me confundió un poco al principio identificar lo que marqué como "silicio", que me parecía que era la W del azufre. Es difícil identificar estas cosas a ojo, particularmente porque los espectros de las supernovas cambian mucho a lo largo de la explosión, y los que aparecen en esta figura son ejemplos cercanos al máximo de brillo.

Entonces los astrónomos usan un programa que compara ("fittea") el espectro con supernovas conocidas, llamado por supuesto Superfit. Los astrónomos informan en su reporte que la que más se parece a SN2017cbv es la SN1999aa, observada 11 días antes del máximo. Ésta es la comparación, que también está en el TNS. Así que concluyen que es también de tipo Ia, posiblemente más temprana aún. Y señalan que tiene un fuerte viento de silicio a 23 mil km/h, lo cual es una velocidad enorme aun en términos astronómicos. En el TNS se pueden graficar las líneas de los elementos a distintas velocidades, y así identifiqué como silicio lo que al principio creí que era azufre.

La principal característica espectroscópica de las supernovas de tipo Ia es que carecen por completo de hidrógeno. Son explosiones termonucleares de puro carbón y oxígeno, cadáveres estelares donde todo el hidrógeno y el helio se han consumido y la estrella se apagó. Esto las diferencia de las supernovas de colapso del núcleo, en las cuales la explosión destroza una estrella que es todavía mayoritariamente hidrógeno. Pero más sobre esto otro día.

No he visto todavía más espectros de SN2017cbv, pero seguramente aparecerán publicados en algún momento. Recién en 2004 apareció un análisis de SN1999aa donde vi una linda secuencia de la evolución del espectro, desde su descubrimiento 11 días antes del máximo hasta dos meses después del máximo. Es una maraña, menos mal que existe Superfit. ¡No sé cómo hacían antes!

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El póster está hecho con esta aplicación on-line de la BBC.

La imagen de espectros de supernovas está en muchos sitios de la web, sin un autor u origen claro.

La figura con los espectros de SN1999aa está tomada de Garavini et al. (2004), Spectroscopic Observations and Analysis of the Peculiar SN 1999aa, The Astronomical Journal 128:387.

Espectros del espacio exterior es también el título de una de mis charlas de divulgación, que habitualmente doy para profes de ciencia o alumnos de secundaria o primaria. El año pasado me filmaron, y puede verse en YouTube. Es una charla larga, pero a alguien le puede servir.

De CDs viejos y rebotes

Me pidieron que preparara unos folletos de divulgación, como para ser distribuídos en escuelas, y elegí dos temas que incluyen actividades piolas para hacer con chicos: la espectroscopía (y el espectroscopio a CD), y la vida de las estrellas (y cómo hacer una especie de supernova). La Filial Bariloche de la Asociación Física Argentina eventualmente los va a producir con un diseño más profesional, pero a mí me gusta el "director's cut", con el texto completo que escribí, así que los presento aquí: El espectroscopio a CD, y La vida de las estrellas.

Los documentos están alojados en el Google Drive del blog (donde hay otros documentos públicos), y pueden ser descargados por quienquiera para usarlos en clase o como fuere. Me gustaría saber si los usan. Los pongo también en una página aquí en el blog, para que resulten más accesibles en la columna de la derecha.

Como hace años hicimos un video con la construcción del espectroscopio a CD, decidí hacer también uno con la supernova casera. Es mucho menos profesional que el otro, pero quedó razonable. Está en mi canal de YouTube:

El video del espectroscopio también está allí (¡ay, que vergüenza, con el mismo buzo, no me di cuenta!):

Sobre el espectroscopio hay además una vieja nota aquí en el blog: Espectroscopio.

¡Compártanlos, y manden sus experiencias si los usan en clase!

El ruido del trueno

La semana pasada conté que podemos escuchar el fondo cósmico de microondas sintonizando una radio entre dos estaciones. Ese ruido, que a veces llamamos estática, es una mezcla de señales de variados orígenes, tanto terrenales como espaciales. Y un poquito, si uno presta atención, es efectivamente el fondo cósmico que viene desde el origen de los tiempos.

Claro, si uno usa una radio, puede "escuchar" una sola frecuencia a la vez, tal como les pasaba a Penzias y Wilson cuando la descubrieron. Pero esa radiación, como la luz del Sol, es una mezcla de muchas ondas, de todas las longitudes, cada una con una intensidad diferente. Para capturarlas todas no nos alcanza una radio casera. Se necesita un radiotelescopio posta.

Sin embargo, podemos darnos una idea casera de cómo "suena" la radiación cósmica. Después de todo, es radiación de cuerpo negro, un cuerpo negro casi perfecto, y conocemos la fórmula matemática que describe la radiación de un cuerpo negro gracias a Max Planck. La fórmula de Planck nos dice cómo es el espectro de esta radiación. Un espectro es como un arco iris, como el familiar arco iris de la luz del Sol. Uno puede tomar la radiación de fondo y descomponerla en todos sus "colores", igual que con la luz blanca del Sol, que nos llega con todas las longitudes de onda (o sea los colores) mezclados. El espectro es la representación que nos dice la intensidad de cada uno de esos colores. Si uno gráfica la ley de Planck, el espectro de un cuerpo negro se ve como en la figura.

Si tenemos el espectro, ¿cómo reconstruimos la señal? Hay que tomar un color puro de cada longitud de onda, y mezclarlos, cada uno con una intensidad diferente. Parece complicado. Por suerte existe un artilugio matemático llamado transformada de Fourier. Lo inventó Jean Baptiste Joseph Fourier, matemático francés que acompañó a Napoleón a Egipto y volvió con una copia de la piedra de Rosetta, a ver si servía para algo. También descubrió el efecto invernadero en la Tierra, y muchas cosas más. Un capo, Fourier.

Bueno, volviendo al tema, la transformada de Fourier es una especie de prisma matemático, o de espectroscopio matemático. Uno mete una señal por un lado, y por el otro sale el espectro, el arco iris. ¡Pero lo que queremos hacer es al revés! No importa. La transformada de Fourier es reversible. ¡Basta usar la transformada inversa de Fourier!

Hay detalles técnicos que no vienen al caso, pero lo hice, y me gustó. Decidí convertir la señal en sonido, para poder escuchar el Big Bang. Un detalle importante, de todos modos, es que tuve que ajustar drásticamente la longitud de onda, o sea la frecuencia. Las microondas del fondo cósmico tienen su máxima intensidad en 160 GHz, y eso convertido a sonido es inaudible. Así que tuve que estirar el tiempo un factor enorme, miles de millones de veces, para reducir esos gigahertz a los cientos de hertz que podemos escuchar. Acá está, denle al play:


Bueno, suena como estática, efectivamente. Pero no es un "ruido blanco", que es insoportable de oir. Tiene más onda (¡je, je!). Como ya conté, esos mismos fotones tenían una longitud de onda mucho más corta cuando empezaron su viaje, hace 13800 millones de años. Convertidos a sonido, sería un sonido más agudo. Escuchémoslo:

El grito del universo bebé. ¿Qué pasó desde ese grito inicial hasta el ronquido actual? Bueno, el espacio se estiró, y un "sonido agudo" se convirtió en un "sonido grave". Podemos hacer un simulacro, que represente todo el fenómeno de expansión del universo desde hace 13800 millones de años hasta ahora. Vean, oigan:

No, ya sé, no me voy a hacer muy popular en SoundCloud con composiciones como éstas. Si el disc jockey ponía algo así en carnaval en Munibadía lo echaban a patadas. Pero bueno, un cuerpo negro es un cuerpo negro.

Tengo pensadas más aplicaciones para esta representación sonora de las ondas electromagnéticas. ¡Ampliaremos!

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Notas para detallistas. Usé factores de escala temporal distintos para los dos extremos de la expansión, ya que el rango de terahertz a gigahertz es mayor que el rango de nuestra audición. La expansión es simplemente un decaimiento exponencial, no tengo idea de si se podrá hacer algo más realista. Para reconstruir la señal temporal usando la transformada inversa usé fases al azar con distribución uniforme entre 0 y 2 pi para cada frecuencia. No estoy seguro de si Fourier realmente inventó la transformación que lleva su nombre; habría que leer una buena biografía. Lo que sí inventó fue la serie de Fourier, para resolver el problema de la conducción del calor.

Espectroscopio

El instrumento favorito del astrónomo es el telescopio. Y el segundo favorito es el espectroscopio. ¿Qué es un espectroscopio? ¡Un aparato para visualizar espectros! A no asustarse: un espectro no es un fantasma. Es un arco iris. Como sabe cualquiera que haya jugado con un prisma, la luz blanca está formada por una mezcla de colores. Algunos fenómenos naturales, como el arco iris, separan los colores. Cada color corresponde a una longitud de onda, ya que la luz es una onda, una onda electromagnética. Esto se vuelve cada vez más complicado, pero el que no se asustó con los espectros puede seguir adelante, ya que lo que sigue es muy entretenido.

Gracias al espectroscopio los astrónomos saben de qué están hechas las estrellas, a qué temperatura se encuentran, a qué velocidad se mueven, si tienen campos magnéticos, si tienen planetas a su alrededor... Los espectroscopios a bordo de los robots espaciales han develado la composición del suelo y del aire de los mundos de nuestro sistema solar, y algún día nos permitirán saber si algún planeta lejano en órbita alrededor de otra estrella alberga vida alienígena. ¿Cómo es posible saber todo esto de lejos, sin analizar muestras en el laboratorio? Distintos fenómenos físicos producen ondas de distintas longitudes de onda y de distintas intensidades. Y ahí es donde entra el espectroscopio: si queremos analizar y comprender esos fenómenos, necesitamos separar los colores para analizarlos por separado. Y es increíblemente fácil hacer un espectroscopio casero para ver cómo funciona e imaginar su enorme potencial como instrumento científico.

El espectroscopio fue inventado hace casi 200 años por un óptico genial, autodidacta, llamado Joseph Fraunhofer. En general la separación de colores se logra no con un prisma sino con una red de difracción (también inventada por Fraunhofer). Una red de difracción es un plástico o vidrio con muchísimas rayitas grabadas, miles de líneas por milímetro. Al pasar por las rayitas se produce la difracción de la luz, un fenómeno por el cual una parte de la luz pasa derecho, y  una parte se desvía para un lado. El ángulo que se desvía la luz depende del color: el azul se desvía poquito, el verde un poco más, el rojo más todavía. Así que al pasar luz blanca se descompone en los colores que la forman. ¿De dónde sacamos una red de difracción para hacer un espectroscopio casero?

De un CD. En un CD la información está grabada en un surco espiralado muy apretado, en el que cada vuelta pasa a apenas un micrón de la siguiente. Por eso el lado brillante de un CD se ve con los colores del arco iris: funciona como una red de difracción. Podemos usarlo así, directamente, como una red de reflexión. O podemos "depilarle" la etiqueta de aluminio con ayuda de una cinta adhesiva, y usar el plástico (que conserva las rayitas marcadas) como una red de transmisión. Es muy sencillo.

En el Instituto Balseiro hemos hecho un video mostrando cómo hacerlo y cómo usarlo, y más vale verlo que contarlo. Además comentamos los distintos tipos de espectros, y cuál es la clave para la utilidad del espectroscopio. Tal vez otro día cuente más detalles. Aquí está el video.

También preparé una colección de fotos mostrando la construcción. La última foto de esa colección es interesante, ya que muestra la comparación de dos espectros de una lámpara de bajo consumo, uno obtenido con un espectroscopio de laboratorio de miles de dólares, y el otro con el espectroscopio casero. La comparación es asombrosamente buena. Observen que el espectro en general se representa no como un arco iris de colores sino como una curva con picos. Esa curva se obtiene escaneando el arco iris a lo largo, y midiendo la intensidad de luz de cada color. Los espectroscopios de laboratorio modernos producen directamente esa salida. Con el espectroscopio casero podemos obtenerla procesando una foto obtenida con una cámara común con el programa gratis Visual Spec, especialmente preparado para su uso en la comunidad de astrónomos aficionados.

Estrellas brillantes

En estos días de verano hay un impresionante despliegue de estrellas brillantes. Después de fotografiar la luna llena hace poco desde el balcón de casa se me ocurrió tomarles unos retratos individuales, para ponerlas una junto a otra. Este es el resultado. En el cielo no se las ve así, ¡claro que no! Las acomodé en una pseudo-constelación ortogonal. Pero los más atentos reconocerán la forma de Orión, con las Tres Marías en el medio.

Aquí están con sus nombres y unos pocos datos. Sirio es la estrella más brillante del cielo, y Canopus es la segunda. Rigel y Betegeuse son la 6^a y la 8^a. Esta última aparece en las noticias últimamente, con predicciones apocalípticas. No les hagan caso.

En fotos como ésta se destaca el color de las estrellas, que a simple vista a veces pasa desapercibido. Cuando le estoy mostrando el cielo a algún observador ocasional, casi siempre llega un momento en que dice: "Pero... esa estrella parece más roja, ¿no?" Esos colores son reales: las estrellas son de distintos colores. Y en sus colores hay muchísima información acerca de sus propiedades físicas y químicas, de su temperatura, de su composición, de su edad, de sus campos magnéticos, de su movimiento y mil cosas más. Los astrónomos estudian estos colores con su segundo instrumento favorito: el espectroscopio. El espectroscopio es un aparato que sirve para analizar los colores, descomponiendo la luz de las estrellas en preciosos arcoíris. Por supuesto, también puede hacerse con otras fuentes de luz, no sólo astronómicas sino en el laboratorio, y no sólo con luz visible sino con todo el espectro electromagnético. Es uno de los instrumentos más versátiles de la ciencia moderna. También es sorprendentemente sencillo de hacer: un espectroscopio casero como éste lo puede hacer un niño de 3^er grado, y divertirse analizando el espectro del tubo fluorescente de la cocina.

Click en las fotos para agrandarlas.