A correr que chocan las galaxias

En la constelación del Cuervo (dale campeooón...), cuyas estrellas pasan casi desapercibidas para la mayor parte de los mortales, vemos ante nuestros ojos uno de los eventos titánicos de la naturaleza: el choque de dos galaxias.

Ya hemos hablado en este blog sobre choques de galaxias: las galaxias grandes que se devoran a las chicas, dejando sus núcleos pelados como cúmulos globulares, el curso de colisión entre nuestra propia galaxia y la de Andrómeda, las galaxias peculiares, etc. Cuando dos galaxias se acercan, cada una ejerce sobre la otra enormes fuerzas de marea que las estiran y hasta les arrancan pedazos (claro, ¡las galaxias no son sólidas!). Ya he mostrado el caso del Triplete de Leo, donde una de las galaxias tiene una larga cola resultado de esta interacción. Cuando finalmente chocan se arma un desparramo galáctico, como el que vemos aquí: ¡las Galaxias Antenas!

Como siempre, se ve mejor en negativo. Así que para destacar las colas hice este recorte:

Las Antenas son el caso mejor conocido de dos grandes galaxias espirales en el momento de su fusión. Debido a su proximidad son el laboratorio ideal para estudiar el fenómeno de producción de nuevas estrellas a partir de la colisión y compresión del medio interestelar, y se las ha observado en todas las longitudes de onda. Hay sin embargo una controversia acerca de la distancia a este par de galaxias. Usando mediciones de estrellas gigantes que pueden verse individualmente con el telescopio espacial Hubble, en 2008 un grupo de astrónomos determinó que estaban a 43 millones de años luz, mucho más cerca que lo que se creía. En el mismo año, otro grupo usó el brillo de una supernova que explotó en la cola sur en 2007, y determinó una distancia de 71 millones de años luz. Leí una propuesta de intentar una medición usando estrellas variables del tipo Cepheida, pero no pude encontrar ningún resultado. En todo caso, la distancia que anoté en mi foto es la de la supernova, porque, bueno, ¡supernova!

Las galaxias Antenas están entre mis favoritas desde que vi en 1997 la primera foto que les tomó el Telescopio Espacial Hubble. Recién me estaba enterando de que las galaxias chocan unas con otras: cuando era chico las galaxias estaban ahí quietitas e inmutables en el cielo. El caos resultante de la colisión, con el espectáculo de la energía cinética convirtiéndose en estrellas ante nuestros ojos, capturó mi imaginación para siempre. ¡Hoy estoy chocho de haberlas fotografiado yo mismo!

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La foto del Telescopio Hubble es de NASA/ESA/STScI. Vale la pena verla en su máxima resolución, que se encuentra aquí. La primera foto de la Antenas que tomó el Hubble en 1997 es de calidad inferior a ésta, y está aquí. Hay una foto des-co-mu-nal de un "aficionado", 75 horas de exposición con un telescopio de 32 cm, que me da vergüenza reproducir, pero que puede verse aquí (el autor muestra una comparación detallada con las imágenes del HST y del VLT que no tiene desperdicio).

Yira, yira

Esta semana ocurrirá un evento tan inusual como desapercibido: el día 30 de junio, en lugar de durar 24 horas exactas, durará ¡24 horas y un segundo! Si quieren verlo, carguen en el navegador algún sitio que dé la hora universal (time.gov, por ejemplo) unos minutos antes de las 21 hora argentina, que es la medianoche de la hora universal. Podrán ver el reloj marcando:

23:59:59

y un segundo después:

23:59:60

y recién un segundo después las:

00:00:00

¿Cómo? ¿Por qué?

El propósito de este segundo intercalar (preferiría decir segundo intercalado pero se llama así) entre la medianoche del 30 de junio y el comienzo del mes de julio es mantener sincronizada la hora mundial con la rotación de la Tierra. Es similar a lo que ocurre con los años bisiestos: la Tierra tarda 365 días y un cuarto en dar una vuelta alrededor del Sol. Pero sería ridículo agregar un cuarto de día al final de cada año. Así que esperamos hasta que se junta un día entero de diferencia, y cada cuatro años intercalamos el día 29 de febrero para mantener ajustado el calendario a la duración de la órbita de la Tierra.

¿Y por qué hay que hacer esto? ¿Acaso la rotación de la Tierra sobre su eje no dura un día exacto, o sea 24 horas, es decir 86400 segundos? ¿Eh?

Bueno, no. Dura casi 24 horas, pero el día (el día solar, para ser más preciso) dura en realidad un cachito más. ¡Apa! ¿Cuánto más? Muy poquito. Hasta hace pocas décadas el estándar de tiempo se definía y se mantenía por medios astronómicos. Pero a fines de los 60s se redefinió el segundo de manera independiente de la rotación de la Tierra, y desde los años 70s se empezó a definir la hora universal usando relojes atómicos, que tienen una estabilidad asombrosa (no atrasan ni adelantan un segundo en cien millones de años). Por supuesto, para muchas cuestiones de la vida la posición del Sol en el cielo sigue siendo importante, así que no podemos simplemente ignorar la rotación de la Tierra.

El resultado es que tenemos dos relojes: el reloj atómico y la rotación de la Tierra, y no marchan a la misma velocidad. La Tierra marcha un poquito más lento. Así que si queremos tenerlos sincronizados, cada tanto tenemos que resetear el tiempo atómico (que se llama UTC, hora universal coordinada) para que coincida con el tiempo astronómico (que se llama UT1, la hora solar media).

Lamentablemente la solución no es tan sencilla como la del calendario, cuyo reseteo venimos haciendo regularmente desde hace siglos, debido a que la rotación de la Tierra es irregular. Así que hay que monitorearla, cosa que hace un organismo internacional con un nombre increíblemente cool: es el Servicio Internacional de Rotación de la Tierra. Usando una red de radiotelescopios distribuídos por todo el mundo rastrean con enorme precisión la posición de un puñado de galaxias extremadamente lejanas y luminosas (llamadas quasars) para saber cómo viene el día. Cuando el desfasaje está llegando a un segundo avisan a todo el mundo con seis meses de anticipación y, ya sea el 31 de diciembre o el 30 de junio, agregan un segundo. Desde que comenzó a funcionar el sistema de relojes atómicos en 1972 se han agregado 26 de estos "segundos bisiestos" para mantener la hora... en hora.

Por si se están preguntando cómo puede ser que la rotación de la Tierra sea irregular, la razón es que la Tierra no es un cuerpo completamente rígido. Debajo de la corteza se encuentra un manto de roca fluida cuyo movimiento, en gran medida impredecible, afecta la rotación. La propia corteza se reacomoda todo el tiempo arrastrada por este manto, además de por ocasionales terremotos grandes. Increíblemente una parte importante del reacomodamiento de la masa terrestre viene de que la delgada corteza de roca no ha terminado de relajarse de la más reciente "era de hielo", cuando enormes glaciares hacían un peso que ya no existe encima de los continentes (el agua de los glaciares está en los océanos, presionando sobre su fondo).

Además de irregular la rotación terrestre es cada vez más lenta, y el día cada vez más largo, debido al freno que pone la Luna sobre la Tierra por acción de las mareas, como ya conté. Así que es improbable que haya que quitar segundos alguna vez. Menos mal, porque encima que el día no te alcanza para nada, mirá si te empiezan a quitar segundos...

¡Update! Filmé el segundo intercalar anoche, con relato de fondo del Pollo Vignolo, un par de minutos después del gol de Pastore (que casi me lo pierdo):

Me mareo relativamente

Las mareas oceánicas en la Tierra, dijimos hace poco, se deben a que la gravedad de la Luna afecta de manera diferente las partes cercanas y las partes lejanas del océano: más fuerte las cercanas y más débilmente las lejanas. Esto produce una aceleración relativa entre ambos lados del mundo, que resulta en un estiramiento del océano en la dirección Tierra-Luna.

El fenómeno es más general que el que produce la Luna en los océanos: la Tierra produce mareas sobre la Luna que han frenado su rotación hasta obligarla a mirarnos siempre con la misma cara, las galaxias se arrancan mareas de estrellas cuando chocan, etc., etc. De tanto pensar en Interestelar se me ocurrió contar una vuelta de tuerca que nos llevará a territorios insospechados.

Imaginemos un experimento a bordo de una Estación Espacial. Dentro de la Estación no sentimos la familiar gravedad, tan presente cada día de nuestras vidas. Ya hemos contado la razón de esta ingravidez, que estrictamente se llama caída libre. Si ponemos una semilla de sésamo en el aire delante nuestro, con mucho cuidado de no empujarla, allí se queda. Si le damos un ligero impulso se alejará en línea recta y con velocidad constante hasta chocar con la pared. Hace exactamente lo que dicen las leyes del movimiento, que conocemos desde Galileo.

Compliquemos el experimento. Si ponemos dos semillas de sésamo, una a algunos centímetros de la otra, allí se quedarán ambas. Ni se acercan ni se alejan. Como dos líneas paralelas dibujadas en un plano, que ni se acercan ni se alejan una de otra. Esta analogía es más profunda que lo que puedo explicar aquí, pero podemos decir que el espacio mismo (el espacio-tiempo, estrictamente) es plano. Las paralelas no se juntan, y las semillas de sésamo tampoco.

Un día recibimos un aumento de presupuesto y decidimos agrandar la Estación. Agrandarla mucho. ¿Qué pasa con el experimento? Bueno, va a pasar como con las mareas: la atracción sobre las dos semillas va a ser distinta si están muy separadas: vistas desde la Estación, habría una aceleración relativa entre ambas. Puede ocurrir como en esta figura, por ejemplo: aunque ambas semillas estén a la misma distancia de la Tierra, las aceleraciones forman un ángulo. Por más que las dejemos inicialmente en reposo acabarán acercándose. Ya no son como las paralelas en un plano. Son más bien como los meridianos en un globo terráqueo: parecen paralelas al principio, pero acaban acercándose. El espacio-tiempo dentro de la Estación no es plano: es curvo.

En otras palabras: dentro de la Estación podemos no sentir la familiar "fuerza de la gravedad", pero allí está: se manifiesta como fuerza de marea. O como curvatura del espacio-tiempo. Son lo mismo: la marea es curvatura, y la curvatura es marea. Son los distintos puntos de vista de Newton y de Einstein acerca de la naturaleza del espacio-tiempo: para uno el agente que mueve las semillas es la fuerza de marea, para el otro es la curvatura del espacio tiempo. Si entendiste esto, entendiste el fundamento de la Relatividad General.

¿Creés que la Relatividad General concierne sólo el movimiento de semillas de sésamo en la Estación Espacial? ¿O los agujeros negros y cosas por el estilo, alejadísimos de la vida cotidiana? ¡Nada de eso! Fijate en lo siguiente. Einstein descubrió todo esto hace 100 años. Nadie, ni Einstein ni ninguno de sus colegas, ni ninguna agencia gubernamental, habría podido detectar que lo que estaba haciendo tendría aplicaciones de algún valor económico o social. Si se hubiera presentado a pedir un subsidio de un hipotético Programa Nacional de Innovaciones de Interés Público se lo habrían negado. Y ningún programa por el estilo habría podido encauzar el trabajo de nadie para que descubriera la Relatividad General. Pero 100 años después tenemos un Sistema de Posicionamiento Global (GPS), que funciona gracias a la Relatividad General, y que ha revolucionado la navegación de todo tipo, la cartografía, la geología y mucho más. Lo mismo, exactamente lo mismo, ocurrió con la electricidad, con la mecánica cuántica, con la decidibilidad, con infinidad de cosas.

Hay una lección para aprender de aquí, y es tan evidente que ni siquiera necesito enunciarla.

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Para leer a toda velocidad como en el final de las publicidades modernas: El experimento dentro de la Estación requiere que la estación no rote. La ISS rota sobre sí misma, para mantener siempre la misma orientación hacia la superficie. El sistema en caída libre se llama sistema inercial de referencia. Si rota deja de ser inercial. Si es muy grande y está cerca de un planeta, deja de ser inercial. Si está cerca del centro de un agujero negro tenemos que hacerlo muy chiquito para que siga siendo inercial. Aun si la estación es pequeña y las semillas están a centímetros de distancia una de otra, la aceleración de la gravedad no es exactamente igual en una semilla que en la otra, y acabarán acercándose: los astronautas llaman a esta situación microgravedad. Las semillas de sésamo aparecen en los ejemplos como "partículas de prueba", que no se atraigan gravitacionalmente entre sí. Las semillas de sésamo son muy ricas.