Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las estrellas

He aquí una nueva entrega de Doce cosas, que viene a acompañar a las Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Big Bang, las Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Sol y las Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las constelaciones. Va a haber algunas parecidas al Sol, porque el Sol es una estrella, pero igual sirven para repasar.

1. A simple vista se pueden ver unas 10 mil estrellas, pero no todas a la vez ni desde cualquier lugar de la Tierra.  La cantidad que se pueden ver desde cada punto del planeta depende de la latitud. Desde cada polo se pueden ver la mitad de las 10 mil, cualquier noche del año. Desde el ecuador se pueden ver todas las 10 mil, pero naturalmente no a la vez (porque sólo la mitad del cielo está sobre el horizonte), sino gradualmente a lo largo del año. Desde Bariloche, a 41 grados de latitud, se pueden ver el 87% de las estrellas del cielo (a lo largo del año). Al transcurrir la noche la Tierra gira, cambia la vista, y durante una larga noche de invierno, desde Bariloche, se alcanzan a ver una buena parte de todas las que están a nuestro alcance. En una noche de verano, mucho más corta, se pueden ver bastante menos. Por supuesto, las estrellas no están distribuidas uniformemente, así que el cálculo es aproximado. Además, desde las ciudades se ven bastante menos estrellas que desde el campo (o durante un corte de luz). Desde una ciudad mediana, el 10000 se reduce a unas 500 apenas. Desde el centro de una gran ciudad, a 100 o menos.

2. Las estrellas brillan porque están calientes, tal como los carbones del asado o los alambres del tostador eléctrico. El calor del Sol lo sentimos en el rostro los días de verano, y en cambio a las estrellas no las sentimos calientes. Pero eso es sólo porque están muy lejos. En sus colores, y no en la intensidad de su luz, está codificada su temperatura: desde un par de miles hasta decenas de miles de grados.  

3. Las estrellas no son eternas. La fuente de su calor es la radiación que surge de sus centros, como resultado de reacciones nucleares que convierten elementos livianos en otros más pesados. Esos "combustibles" nucleares duran un tiempo y se agotan, así que necesariamente las estrellas mueren, o se extinguen. Algunas lo hacen de manera tranquila (como ocurrirá con el Sol), otras de manera violenta. 

4. Las estrellas más grandes y pesadas tienen centros muy calientes, por lo cual las reacciones nucleares ocurren más rápido. Así que, aunque tienen mayor cantidad de combustible nuclear, lo agotan más rapidamente y sus vidas son más cortas que las de las estrellas más livianas. Una estrella como Alnilam (la del medio de las Tres Marías), que pesa casi 30 veces más que el Sol, vive unos 6 millones de años. El Sol, en cambio, vivirá 10 mil millones de años, más de 1500 veces más.

5. Las estrellas más livianas, en cambio, queman su combustible nuclear a un ritmo tan tranquilo que viven incluso más que el Sol. Algunas de ellas son tan antiguas como la Vía Láctea, y andá a saber cuánta cuerda les queda todavía. Se conoce una que tiene 13500 millones de años, una estrellita de morondanga de 14% de la masa solar; su hidrógeno le va a durar un millón de millones de años, quizás más. A pesar de ser tan vieja, es todavía un bebé.

6. La inmensa mayoría de las estrellas son más pequeñas y más livianas que el Sol. El Sol no es una "estrella típica", como se dice a veces. El 95% de las estrellas de la galaxia son más pequeñas que el Sol.

7. Durante la abrumadora mayoría de sus vidas, las estrellas convierten hidrógeno en helio. Pero incluso la enorme temperatura en sus centros es insuficiente para producir la reacción de fusión de dos núcleos de hidrógeno. Como son dos cargas positivas, se repelen, y la temperatura no les da suficiente energía para acercarse lo necesario para que actúen las fuerzas nucleares. La reacción se produce por "efecto túnel", que es un fenómeno cuántico que permite penetrar una barrera repulsiva incluso sin tener la energía suficiente. Es como atravesar una pared sin romperla, o pasar a través de la gente como el fantasma de Canterville. Este descubrimiento crucial lo realizó George Gamow en 1928. Esa noche salió con su novia. Sentados en el banco de una plaza pensaba cómo contárselo. Entonces la novia dijo algo así: “¡Ay, George, mirá qué lindo cómo brillan las estrellas!”. Gamow vio la oportunidad y replicó: “Sí, y esta noche, en todo el mundo, ¡yo soy el único que sabe cómo brillan! ¿Te cuento?” Se casaron y fueron felices, y se escaparon de la Unión Soviética (tras dos intentos frustrados ¡en kayak!). La próxima vez que sientas el calorcito del Sol en la piel, pensá que se lo debés a un fantasma cuántico.

8. La fusión de cuatro núcleos de hidrógeno produce un núcleo de helio (de una manera complicada, ya que son varias reacciones encadenadas), pero además produce radiación electromagnética y neutrinos. La radiación es un fotón muy energético (un rayo gamma), al cual le cuesta cientos de miles de años salir del centro de la estrella, luchando contra la materia estelar que lo desvía incesablemente, lo absorbe y lo reemite. En cada una de esas interacciones va calentando de a poquito su estrella, y lo que vemos es la luz con la que brilla la capa más superficial. Los neutrinos, en cambio, salen del centro en un santiamén, no los frena nada, y empiezan su viaje interestelar hasta que unos muy poquititos pueden ser detectados en la Tierra. Son la única fuente de información directa que tenemos de lo que ocurre en los núcleos de las estrellas.

9. Estas reacciones nucleares sólo agregan helio a la composición primordial que viene del Big Bang (esencialmente 75% hidrógeno, 25% helio). La fusión de un helio con un hidrógeno daría un elemento de masa 5, y la de dos helios, daría uno de masa 8. Pero no existe ningún elemento estable con esas masas atómicas. La existencia de todo el resto de los elementos más pesados recae en una reacción nuclear extremadamente improbable: la fusión de tres helios, dando carbono-12. Es tan improbable que esto ocurra que, cuando fue originalmente propuesta de manera teórica, se dejó en claro que necesitaba un efecto amplificador desconocido en el momento, llamado "resonancia". Una vez propuesta, fueron a medirla en experimentos de física nuclear, y allí estaba la resonancia. Como efecto secundario, el carbono se puede fusionar con otro helio, dando el oxígeno. Así que toda la biología (y la tecnología y la economía), tan arraigadas en la química del carbono y del oxígeno, deben su existencia a esa resonancia. Sin ella, el universo sería aburridísimo, lleno de estrellas de hidrógeno y helio, y planetas gaseosos sin vida. Esa reacción se llama triple alfa, que a los argentinos inmediatamente nos hace pensar en otra cosa (que, obviamente, no sería posible sin ella).

10.  Todas las estrellas pierden una parte significativa de su masa al envejecer. Las más livianas (hasta un par de masas solares) lo hacen suavemente, en forma de nebulosa planetaria. Las más pesadas pierden masa en forma de fuertes vientos estelares, y finalmente de manera explosiva, como supernovas. Tanto unas como otras dejan tras de sí residuos estelares, que se conocen informalmente como estrellas enanas blancas y estrellas de neutrones. Estrictamente, estos residuos no son estrellas, ya que no se mantienen infladas por las reacciones nucleares. Brillan porque están calientes, y se van enfriando muy lentamente. Sólo las (poquísimas) estrellas súper-pesadas, cuando explotan, producen un agujero negro, que ni siquiera es materia, sino pura geometría.

11. Casi todas las estrellas tienen planetas a su alrededor, así que hay más planetas que estrellas en la Vía Láctea. Sabemos también que alrededor del 20% de todas las estrellas similares al Sol (o sea, las tipo G y K, descartando las inmensas y las pequeñitas), tienen al menos un planeta similar a la Tierra (rocoso) en su zona de habitabilidad (donde podrían tener agua líquida en la superficie). Esto daría, en toda la Vía Láctea, miles de millones de planetas potencialmente habitables por una biología como la terrestre (ya sea puros microbios, o hasta seres pensantes). Sólo tenemos evidencia de uno solo, pero creemos que hay más, y por eso seguimos buscándolos.

12. Hemos mencionado que las estrellas mueren, pero también que nacen. Las estrellas nacen de la materia que llena el espacio interestelar, que no está vacío. Al final de sus vidas devuelven buena parte de su materia, reciclada, al medio interestelar, desde donde pasará a formar parte de nuevas generaciones de estrellas. Hay un reciclado permanente de materia en la galaxia, del cual nosotros mismos formamos parte. No sólo somos descendientes de estrellas de generaciones anteriores al Sol, sino que somos antepasados de estrellas (y planetas, lunas, ¿gentes?) de un futuro lejano.

Para referencia, aquí están las entregas de Doce cosas:

• Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Big Bang
• Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Sol
• Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las constelaciones
• Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las estrellas 

 

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La ilustración del Sol junto a la enana roja Trappist-1 es de ESO. 

La imagen de Gamow y el efecto túnel la tomé de Muy Interesante, de una nota que trata precisamente sobre esto. 

La ilustración de 800 exoplanetas terrestres conocidos es de Martin Vargic. 

La imagen de la Nebulosa de Carina que reciclé para ilustrar el reciclado, es de NASA/ESA/JWST. 

El link del Fantasma de Canterville lleva a la versión grabada en vivo en Adiós Sui Generis. El sonido es bastante malo, pero vale la pena para escuchar la hermosa voz que tenía Charly cuando era joven. La versión de estudio es la de PorSuiGieco, y el sonido es buenísimo. Pero canta Gieco, no Charly.

La agudeza del Webb

Hace justo 3 años, en enero de 2022, el telescopio espacial Webb viajaba de la Tierra hacia su órbita final en Lagrange 2, mientras iba desplegándose como un transformer. Seis meses después vimos sus primeras imágenes, que mostraron que el instrumento estaba funcionando tal como se había planeado, no como otros. La calidad de las imágenes del Webb requiere la alineación de sus 18 espejos principales y muchos secundarios con precisión de nanómetros. Para lograrlo lleva una cantidad de dispositivos accesorios, menos conocidos que los instrumentos principales, NIRCam, NIRSpec y MIRI. En particular, hay un segundo espectrógrafo, NIRISS, construido en Canadá. Y dentro de él hay una chapita de titanio de 4 cm de diámetro con siete agujeros, que es el único pedacito del Webb construido en Australia:

Esta máscara óptica se llama AMI (aperture masking interferometry), y convierte al Webb en el primer telescopio espacial capaz de hacer interferometría óptica, como el VLT, el Keck, y un par más de grandes telescopios terrestres. Las ondas de luz (infrarroja) que pasa por los agujeros produce un patrón de interferencia en el plano del sensor, que permite dos cosas: calibrar el telescopio, y observar objetos con resolución mayor que la teórica permitida por el diámetro del espejo principal. El sistema funcionó bien, pero durante el viaje descubrieron que, a nivel de pixels individuales, había un error sistemático producido por el escape de carga eléctrica hacia pixels vecinos, un problema que afecta a todas las cámaras electrónicas. Así que los australianos pusieron a un estudiante de doctorado a ver si podían mejorar el sistema en la etapa del procesamiento de datos. Modelando toda la física del problema lograron hacerlo, y han diseñado una metodología que logra una resolución asombrosa. Sirve, naturalmente, para objetos brillantes y con buen contraste, ya que no usa toda la luz recolectada por el enorme espejo principal, sino la poquita que atraviesa los agujeros del AMI. La siguiente imagen muestra un par de ejemplos. Los paneles de arriba son las imágenes interferométricas originales, y las de abajo son las imágenes reconstruídas. 

 

A la izquierda se ve el jet de una galaxia activa (NGC 1068 es Messier 77) y a la derecha una imagen de Ío, el satélite de Júpiter, mostrando sus volcanes activos. Los circulitos grises muestran el límite teórico de la resolución interferométrica (no el criterio de Rayleigh dado por la apertura del espejo, sino el espectroscópico de Michelson). Puede verse que la agudeza visual del Webb es excepcional. 

Este instrumento no va a producir fotos impresionantes para la difusión pública, de esas que te dejan boquiabierto, pero es una herramienta poderosa para estudiar estrellas binarias, exoplanetas, núcleos galácticos y todos los objetos brillantes y compactos que los astrónomos vayan encontrando. 

 

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El paper de donde tomé las imágenes es Charles et al., Image reconstruction with the JWST Interferometer, Publications of the Astronomical Society of Australia (2025) (https://arxiv.org/abs/2510.10924v1). El paper compañero, que describe el procedimiento, es Desgoits et al., AMIGO: a Data-Driven Calibration of the JWST Interferometer, Publications of the Astronomical Society of Australia (2025), (https://arxiv.org/abs/2510.09806v1).

Me enteré de este instrumento en una nota en Phys.org. 

Vida en la Tierra

La semana pasada comentamos el incierto destino de Voyager 1, perdida en el espacio. Hoy nos ocupamos de un robot que, desde su nacimento, estuvo condenado a acabar sus días sacrificándose para no contaminar los mundos que exploró. En su intrincado viaje a Júpiter, Galileo hizo dos sobrevuelos de la Tierra, que se usaron para probar los instrumentos. Esta es una de las imágenes tomadas en diciembre de 1990, un día despejado de verano en la Patagonia:

La Tierra vista desde afuera, como un planeta, flotando en la oscuridad del espacio, y exhibiendo su variedad de aspectos: mares, continentes, hielo, aire, nubes, desiertos, vegetación... Nunca veremos así un planeta alrededor de otra estrella. Nunca en lo inmediato, hasta que proyectos como Breakthrough Starshot se lleven a cabo en siglos por venir. Mientras tanto, a lo sumo podremos observar algún planeta no muy lejano como un único píxel. ¿Qué podríamos saber de la Tierra si la viéramos como un solo píxel?

Sorprendentemente, podríamos saber mucho. Siempre lo menciono hacia el final de mis charlas sobre exoplanetas, así que disfruté al encontrar un paper reciente que lo simula usando miles de imágenes en varias longitudes de onda, tomadas por Galileo durante sus sobrevuelos en 1990 y 1992. A pesar de que son imágenes de alta resolución, los tipos deciden reducir su calidad intencionalmente, integrando todo el disco observado de la Tierra en un único píxel, como si estuvieran observado un planeta lejano con la peor resolución posible. 

Las imágenes están tomadas a través de 7 filtros (violeta, verde, rojo, y cuatro infrarrojos) que son capaces de proveer una especie de espectro de baja resolución, mostrando la intensidad relativa de los distintos colores. Así, cuando el océano Pacífico domina la imagen, la composición de colores favorecerá el violeta. Cuando haya desiertos o vegetación, el color viraría al rojo e infrarrojo. El sobrevuelo de 1990 duró más de un día, de manera que las imágenes de Galileo muestran el planeta rotando, y el degradado píxel cambiando de color de manera correspondiente. Una de las imágenes que muestran es un gráfico color-color usando la relación rojo/violeta versus infrarrojo/violeta, que  muestra que la Tierra tiene mares y continentes:

¡Sería fantástico poder ver algo así en un exoplaneta! Y seguramente se podrá hacer en los próximos años.

Aunque el sistema estaba diseñado para observar Júpiter, los autores lograron identificar la presencia de vapor de agua y de oxígeno molecular, dos gases delatores de que el planeta está vivo. Observar algo así en un exoplaneta sería más que fantastico, sería un golazo, como sueña Randall Munroe en una de sus viñetas de hace años, usando una canción de Faith Hill:

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El paper es Strauss et al., Exoplanet analog observations of Earth from Galileo disk-integrated photometry,  AJ 167:87 (2024) (acceso libre).

La foto de la Tierra tomada por Galileo es de NASA/JPL. La de la Tierra reducida a pixels es de NASA, y muestra una imagen tomada con la cámara EPIC del satélite DSCOVR.

La última imagen es de Randall Munroe, de su blog xkcd, uno de mis comics favoritos de la web.

La muerte de una estrella

Sí: las estrellas mueren. Mientras producen reacciones nucleares en su núcleo, las estrellas están "vivas". Pero eventualmente se quedan sin combustible y "mueren", dejan de ser estrellas, se convierten en otra cosa. Las más pesadas (unas 8 veces más que el Sol) se convierten en supergigantes y luego mueren de manera violenta: explotan como supernovas. Pero las estrellas más livianas (el Sol incluído) mueren lentamente. Cuando llegan a la etapa final de sus existencias, como comenté hace poco sobre el futuro del Sol, se convierten en gigantes. En esta etapa las estrellas empiezan a expulsar sus capas exteriores de manera intensa. Nuestro Sol produce un viento solar, pero es muy tenue y se tardaría la edad entera del universo en deshacer una estrella a ese ritmo. Pero al acercarse el final, el viento se hace muchísimo más denso y veloz, y ese tiempo se reduce a unos 10 mil años. Lo que queda es el núcleo de la estrella desnudo, que llamamos enana blanca, enfriándose lentamente. Y, a su alrededor, las capas sucesivas expulsadas viven brevemente como una nebulosa planetaria (nombre confuso, ya que no tienen nada que ver con los planetas). Una de las fotos iniciales del nuevo telescopio espacial Webb es, precisamente, de uno de estos preciosos y efímeros objetos astronómicos:

Esta es la nebulosa planetaria NGC 3132, a 2000 años luz de nosotros, en la constelación de la Vela. A veces se la llama Eight-Burst (traducida un poco libremente como Ocho estallidos), o incluso Southern Ring (Anillo austral). En la imagen de arriba, tomada en "colores" del infrarrojo cercano (cercano al espectro visible), toda la filigrana naranja es la materia de la estrella que fue expulsada como viento denso. La burbuja brillante y azulada es el viento más reciente, menos denso y mucho más rápido, producido por la enana blanca central. La gran resolución del instrumento NIRCam nos muestra esta nebulosa con un nivel de detalle que nunca habíamos visto, siquiera con el Hubble. 

Cerca del borde izquierdo hay un rayito que parece apuntar directo a la enana blanca, como si fuera un rayo escapado a través de algún agujero excavado en la nebulosa. Pero cuando uno lo mira en detalle encuentra esto:

¡No es un rayo de luz, es una galaxia! Una galaxia espiral vista de canto, con su disco cruzado por la característica banda de polvo oscuro. Esta galaxia se encuentra muy por detrás de la nebulosa. Webb no puede dejar de ver las galaxias lejanas. 

La imagen obtenida por MIRI, la cámara de infrarrojo medio, es parecida y distinta a la vez:

Lo más llamativo en esta imagen es que la estrella central no es una, ¡sino dos! La enana blanca es la más tenue y rojita, a la izquierda. La de la derecha es una estrella "viva", todavía fusionando hidrógeno como nuestro Sol. Originalmente era la más liviana de ambas, así que duró más en esta fase. El doble tironeo gravitatorio del sistema estelar sobre el material de la nebulosa es responsable de la peculiar forma, como de dibujo hecho con espirógrafo. Un trabajo reciente argumenta que deben ser al menos cuatro objetos tironeando de la nebulosa, para producir la estructura que revela el Webb.

En un futuo más o menos lejano, la estrella "viva" se convertirá a su vez en gigante, y seguramente empiece a tranferir parte de su material a la enana blanca. Estas son las situaciones que llevan a producir novas clásicas, que son reacciones nucleares descontroladas en la superficie de la enana blanca cuando el material acumulado supera un umbral. A veces esto pasa de manera recurrente, cada tantos años, o décadas, o incluso siglos. O, dependiendo de una cantidad de detalles no del todo claros, el aporte de material puede hacer que el núcleo de la enana vuelva a la vida y se produzca una explosión descontrolada que destroce a la estrella, una supernova de tipo Ia (uno-a), que tan importantes son para medir el tamaño del universo. Así que esta estrella tal vez muera dos veces. ¿Como será la nebulosa planetaria de nuestro Sol, estrella solitaria, dentro de 5000 millones de años?

Esta imagen del Webb es, como ya hemos dicho, apenas el principio de lo que será una revolución en el estudio de cada uno de los objetos que vimos en primera conferencia de prensa, hace apenas 100 días. Nos esperan muchas más estrellas agonizantes, estrellas bebés, galaxias en colisión, atmósferas de exoplanetas y sobrecogedoras vistas del universo temprano. 

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Las imágenes son de NASA/ESA/CSA/JWST.

Materia oscura helada

Existe abundante evidencia, incluso proveniente de líneas observacionales que no tienen relación entre sí, de que en el universo existe, además de la materia ordinaria de la que estamos hechos, una substancia fantasmal que llamamos materia oscura. La primera sospecha de su existencia fue la manera en que rotan las galaxias y los cúmulos de galaxias. La materia visible que contienen no es suficiente para mantenerlos íntegros, es como que rotan demasiado rápido y deberían desarmarse. Salvo que tengan más materia, y por lo tanto más masa gravitatoria, que la que vemos brillar por todos lados. Ergo, materia oscura. A lo largo de las décadas se sumaron a estas rotaciones otras observaciones que también apuntaban a su existencia: lentes gravitacionales, cúmulos galácticos en colisión, propiedades de la radiación cósmica de microondas, y otras. Una tras otra fueron cayendo casi todas las hipótesis de su naturaleza: que eran los neutrinos, que era gas neutro y frío, que eran trillones de exoplanetas u otros cuerpos no brillantes, etc.

El exitoso modelo cosmológico moderno se llama ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter: constante cosmológica y materia oscura fría). De acuerdo a él la materia oscura existe, es fría (lenta), es transparente (no interactúa con la luz; tal vez un nombre más adecuado sería materia transparente, pero oscura suena mejor), está formada por partículas que no son ni protones, ni electrones, ni neutrones, ni ninguna de las que aprendimos en la escuela, e interactúa con ellas de manera muy débil, tal vez sólo por gravedad. ¡Y es el 85% de toda la materia del universo!

Para diseminar lo que sabemos y lo que ignoramos sobre la materia oscura, y los intentos que los físicos estamos haciendo para detectarla en el laboratorio, se celebra desde hace unos años el Día de la Materia Oscura el 31 de octubre (apropiadamente, en Halloween). En Bariloche, donde el Laboratorio de Detección de Partículas y Radiación tiene un programa con varios proyectos para detectar materia oscura, hubo un evento buenísimo. Se asociaron con la heladería Rudolf para hacer ¡helado de materia oscura! Y el día 31 compartieron con quienes se acercaron a la heladería una charla sobre la materia oscura. Estuvo muy bueno, con muchos niños interesados y preguntones.

¿Qué es entonces? ¿De qué esta hecha? La materia oscura cósmica, digo, no el helado. No lo sabemos. Se conjeturan varias posibles partículas subatómicas, cuyas propiedades teóricas pueden anticiparse, ninguna de las cuales se ha detectado todavía. Es incluso posible que exista más de un tipo de partícula oscura, que haya todo un "lado oscuro" del universo (sector oscuro, lo llaman los especialistas, pero lado oscuro es mucho mejor, ¿no?), así como tenemos todas las partículas del modelo estándar que forman la materia ordinaria. Finalmente, hay que decirlo, es incluso posible que no sean partículas de materia, sino que sea una manifestación de que la gravedad no funciona como creemos que funciona (la Relatividad General), sino que haya que modificarla radicalmente y que eso resolvería el misterio. De todas estas cosas, insisto, hay abundante trabajo teórico y muchos experimentos en curso para zanjar las controversias que van quedando. Tal vez estemos a la vuelta de la esquina de su sensacional descubrimiento. A mí me encantaría que tengan éxito nuestros colegas de Bariloche y que su líder Xavier Bertou se gane el premio Nobel.

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La curva de rotación que aparece al lado de mi foto de la galaxia NGC 253 es de:

J. Hlavacek-Larrondo et al., Deep Ha observations of NGC 253: a very extended and possibly declining rotation curve?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 411:71-84 (2011).

Planeta Hermano

La Unión Astronómica Internacional acaba de anunciar el resultado del concurso mundial NameExoWorlds organizado para dar nombre a más de 100 exoplanetas, en ocasión de cumplirse 100 años de la organización. Se hicieron campañas nacionales en cada país miembro y cada uno, por votación popular, eligió un nombre para la estrella y uno para el planeta. Les presento el planeta de la Argentina: Naqaÿa, en órbita de la estrella Nosaxa (HD 48265) en la constelación de la Popa.

Nosaxa significa Primavera y Naqaÿa significa Hermano, en lengua mocoví (moqoit). Los nombres fueron propuestos por Abel Salteño, maestro rural de una pequeña comunidad mocoví en la provincia del Chaco. El pueblo mocoví fue testigo de la caída del asteroide de hierro que produjo el Campo del Cielo, y en mi imaginario siempre tienen una conexión astronómica. Así que me encantó el resultado. Una de las consignas del concurso alentaba la presentación de nombres en lenguas aborígenes. 

¿Cómo es, y dónde está Naqaÿa? No sabemos mucho de él, incluso menos que de otros exoplanetas. Nosaxa es una estrella muy parecida al Sol, de tipo espectral G, un poquito más liviana y más fría (su luz debe ser más anaranjada que la del Sol). Tiene también una edad similar pero está un poco más evolucionada que el Sol, y ya ha empezado a hincharse como hará nuestro Sol en el futuro (es una subgigante, GIV —ge-cuatro—, mientras que el Sol es GV). Según las observaciones de Gaia, se encuentra a 296 años luz de nosotros. Naqaÿa es un planeta gigante gaseoso, un poco más pesado que Júpiter. Orbita Nosaxa de manera bastante excéntrica, a una vez y media la distancia de la Tierra al Sol y su año es de 700 días. Está mucho más cerca de su estrella que Júpiter del Sol, justo dentro de la "zona de habitabilidad". Si tiene lunas como las de nuestros gigantes (con abundante roca y agua), alguna de ellas tal vez sea realmente habitable.

¿Podemos verlo? No. Podemos ver la estrella, si bien no a simple vista. Es una estrella de magnitud 8 en la constelación de Puppis, muy cerca de Canopus en el cielo. Podemos verla con binoculares o pequeños telescopios, y desde luego podemos fotografiarla. La tengo en unas panorámicas que hice el año pasado desde la recta de Jones y que todavía no había compartido.

Estas fotos fueron hechas en el mes de junio (nótese la cordillera nevada). Canopus (la segunda estrella más brillante del cielo) era entonces inconfundible hacia el sudoeste. Si quieren ubicarla en estos días, es mejor observar hacia el sudeste al comienzo de la noche, bien alto, por encima de la Vía Láctea (donde está el circulito):

Esta es la segunda campaña de la IAU para poner nombres a exoplanetas. En la anterior se habían designado 14 sistemas, con nombres de una variedad de tradiciones culturales, entre ellas Cervantes y sus planetas Quijote, Dulcinea, Rocinante y Sancho, que ya comentamos. La lista de estrellas con nombre tiene ya más de 300 miembros (en el link todavía no está actualizada con los nuevos 112).

Un poquito caminando

Al acercarse el estreno de Star Wars Episodio IX me vienen a la memoria todos los planetas que conocimos en estos casi 40 años. Tatooine, Dagobah, Hoth, Endor, Alderaan, Coruscant, Jakku, Naboo, Kamino, Jehda, Scariff... ¡tantos exoplanetas de antes de la era de los exoplanetas! Los personajes viajan de uno a otro y en todos ellos caminan con la misma naturalidad, bajo la misma aceleración de la gravedad. Así lo afirma incluso la Wookieepedia, donde leemos que la mayoría de los planetas y lunas habitados de la galaxia gozan de la aceleración gravitatoria superficial estándar de 9.8 m/s².

¿Será así? ¿Habrá tantos planetas habitables donde nos sentiríamos como en casa, erguidos sobre nuestras piernas? Hace 40 años no conocíamos ni un planeta más allá de nuestro sistema solar. Hoy conocemos miles. Ya es una población significativa como para hacerse este tipo de pregunta, así que me descargué el catálogo de exoplanet.eu, con 4122 planetas confirmados.

Para calcular la aceleración de la gravedad en la superficie de un planeta hay que usar una fórmula muy sencilla:
\[\text{aceleración gravitatoria} = \frac{G\times \text{masa}}{\text{radio}^2},\]
donde \(G\) es una constante universal, de valor bien conocido. Claro que no de todos los planetas conocemos su radio y su masa. De algunos conocemos el radio (3048), de otros conocemos la masa (1566), y de algunos conocemos su masa de manera imperfecta, porque no sabemos cómo está inclinado su sistema planetario con respecto a la visual (958). De todos modos, conseguí 820 exoplanetas con masa y radio conocidos, para los cuales calculé la gravedad superficial. Los puse en un gráfico, junto a los planetas y otros cuerpos de nuestro sistema solar (para completar el extremo de mundos livianos), y me encontré con un resultado fascinante:

Esta figura muestra que hay tres regímenes. Están por un lado los mundos rocosos, donde agregar masa hace crecer la gravedad superficial con una potencia 1/2 (una raíz cuadrada, línea verde*). Esto me sorprendió, porque quiere decir que el radio crece como M^1/4, y no como M^1/3 como debería ocurrir si fueran de roca incompresible a densidad constante. Los planetólogos seguro ya sabían esto, pero yo no.

*Notar que el gráfico está en escala log-log, así que las potencias son rectas de distinta pendiente. 

En el extremo opuesto están los planetas gigantes, que son gaseosos, donde parece que uno agrega masa ¡pero el planeta no crece! Así que la gravedad superficial es proporcional a la masa (línea azul). De nuevo: sospecho que esto es una novedad sólo para mí.

Y en el medio, entre los rocosos más grandes y los gaseosos más chicos, están nuestros gigantes de hielo y la gran nube de "supertierras", que parecen ser los planetas más abundantes de la galaxia. Para esta gran población la gravedad superficial se mantiene más o menos constante y con un valor similar al "estándar" (línea púrpura). No sabemos gran cosa sobre las supertierras. Es bien posible que sólo las más pequeñas tengan una superficie sólida sin una atmósfera insoportablemente densa. Pero bueno, algunos habrá.

Ojo: la representación en escala logarítmica es engañosa, porque en esa nube de supertierras no será inusual encontrar mundos con gravedad superficial dos, tres o más veces la de la Tierra, o la mitad o menos. En escala log-lineal se ve así:

Según la Wikipedia, una persona típica puede resistir 5g sin desmayarse (aunque no creo que pueda caminar). En todo caso: el régimen donde la aceleración de la gravedad es independiente de la masa del planeta me parece que es real, así que por qué no: debe haber muchísimos mundos más o menos del tamaño de la Tierra o mayores, y con la misma gravedad superficial. Algunos de ellos estarán en la zona habitable de sus sistemas. Podríamos andar sobre estos exoplanetas sin dificultad, como los personajes de Star Wars, un poquito caminando y otro poquitito a pie.

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En la Wookieepedia también se señala la existencia del planeta Carida, con una gravedad del doble que la "estándar", razón por la cual pusieron allí una academia militar, para un entrenamiento físico exigente. Y también el planeta Columus, donde una gravedad menor se indica para algunas condiciones cardíacas. Son planetas de los libros, que nunca leí, no de las películas.

La foto es de Lucasfilm/Walt Disney Pictures. Los gráficos son míos.

La pluralidad de los mundos

En este espacio infinito hay una infinidad de mundos como el nuestro.

Giordano Bruno, De infinito universo et mondi

Siempre sospechamos que estaban ahí. La primera persona que tuvo el coraje de decirlo en voz alta fue Giordano Bruno, hace más de 400 años. Y lo quemaron en la hoguera.

A lo largo de los siglos los astrónomos fueron convenciéndose de que era así, de que tenían que existir planetas en órbita alrededor de otras estrellas. En el siglo XX, cuando terminamos de entender cómo se forman las estrellas, ya no quedaban dudas. ¡Pero una cosa es sospecharlo, y otra es saberlo! También entendimos lo difícil que sería detectarlos (y mucho más difícil observarlos). La razón es simplemente la inmensa distancia a la que se encuentran. Los suizos Michel Mayor y Didier Queloz (¡que era estudiante de doctorado!) lo hicieron por primera vez, en 1995. Esta semana se anunció que recibirán la mitad del Premio Nobel de Física 2019, por su descubrimiento de 51 Pegasi b, un "Júpiter caliente" en apretada órbita alrededor de 51 Peg, que obligó a repensar cómo evolucionan los sistemas planetarios a partir de su formación. Hoy conocemos miles, ¡miles! de planetas alrededor de otras estrellas como el Sol.

Me sorprendió el anuncio. Por un lado estaba el Event Horizon Telescope, que logró la primera imagen directa de un agujero negro. Si bien el anuncio fue de abril de este año, ya fuera de la competencia para el 2019, como las mediciones se hicieron a lo largo de los últimos dos años me quedaba una duda de si se lo darían. Por otro lado, con el auge del entrelazamiento cuántico, que está empezando a convertirse en una tecnología, sería hora que le den el premio a uno de los pioneros experimentales del área, por ejemplo Alain Aspect (que ya tiene más de 70 años). No cualquiera tiene un experimento crucial que demuestra que "Einstein estaba equivocado" ;).

Así que me sorprendió el premio al descubrimiento del primer planeta alrededor de otra estrella. Definitivamente se lo merecen, su técnica es extraordinaria, capaz de medir el tenue bamboleo de una estrella debido a la presencia de un planeta en órbita, una velocidad del orden del metro por segundo (la velocidad de un peatón) a cientos de años luz de distancia.

Por otro lado, es una cuestión que se enmarca en una de las grandes preguntas de la humanidad: ¿estamos solos en el universo? La técnica de la velocidad radial está basada en la espectroscopía de alta resolución, y el propio Mayor participó en la primera observación espectroscópica de la luz reflejada por las nubes de "su" planeta, en 2015. La otra técnica que existe hoy en día para detectar exoplanetas consiste en observar los mini-eclipses (tránsitos, les decimos) que se producen cuando un planeta pasa delante de su estrella. No son impresionantes como los eclipses totales de Sol que tuvimos este año y volveremos a tener en el 2020 en Argentina, pero son detectables con los instrumentos increíblemente sensibles que existen hoy en día. En noviembre tendremos un tránsito de Mercurio delante del Sol: cuando lo observes, y te parezca una cosita de nada, pensá que nuestros telescopios serían capaces de detectarlo a 300 años luz de distancia. La nueva generación de telescopios gigantes, tanto en la Tierra como en el espacio, permitirá analizar la química de las atmósferas de los exoplanetas durante estos tránsitos. Esto permitirá detectar, eventualmente, la presencia de gases que delaten la existencia de vida. Como el oxígeno en la atmósfera de la Tierra, que sólo existe porque las plantas lo producen permanentemente. Es probable que en no más de 20 años tengamos una respuesta. ¡Qué fantástico!

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La otra mitad del Premio Nobel de Física 2019 fue para Jim Peebles, cosmólogo. También merecidísimo, lo que se diría un premio a la trayectoria más que a un trabajo en particular. Tal vez me ocupe en otra oportunidad.

El punto de Arago

¿Dónde está la parte más oscura de una sombra? Cualquiera diría que en el medio, lo más lejos posible de los bordes, que todos sabemos son difusos y penumbrosos. El punto más oscuro de la sombra de un objeto circular, por ejemplo, debería estar en el centro del círculo, ¿no? Bueno, no.

La idea es tan rara que llevó a un famoso científico a cometer un papelón hace 200 años. La Academia Francesa de Ciencias organizó un concurso para explicar la naturaleza de la luz. Agustín Fresnel (inventor de esas lupas que pueden llevarse en un tarjetero) presentó su teoría ondulatoria. En el Jurado estaba el influyente matemático Simeón Poisson, partidario de la teoría corpuscular de Newton (¿a quién se le ocurrió poner en el jurado a alguien con una posición tomada?). Ni lerdo ni perezoso, Poisson buscó desacreditar la teoría de Fresnel mostrando que hacía predicciones absurdas. Calculó matemáticamente que, al difractarse alrededor de un obstáculo circular, las ondas de luz de Fresnel interferían constructivamente en el centro exacto de la sombra, produciendo un punto luminoso. Que el punto central de una sombra fuera el más luminoso le parecía, a Poisson, tan repugnante que le bastaba para descartar la teoría ondulatoria. Buah.

El presidente del Jurado era Francisco Arago, físico, astrónomo, divulgador científico y político (llegaría a ser Primer Ministro de Francia). Genial experimentador, intrigado por el resultado obtenido por Poisson decidió hacer la prueba en lugar de descartar de llano la teoría de Fresnel. Hizo un disquito metálico de 2 mm, lo iluminó y en el centro de su sombra, con dificultad pero sin lugar a dudas, vio el punto luminoso. El punto de Arago. O punto de Fresnel. O punto de Poisson. Y Fresnel ganó el premio.

Hoy en día es relativamente fácil verlo usando un láser. Lo hice de dos maneras para esta nota. Primero usé mi telescopio Schmidt-Cassegrain. Este diseño tiene una ventana frontal con un espejo secundario incrustado: ideal para usarlo como obstáculo circular. Apunté el láser verde a través del ocular, y en una pared a oscuras a unos 5 m de distancia pude ver la sombra del espejo secundario. Anillos de difracción bastante desprolijos se veían todo alrededor, y en el centro, perfectamente discernible, el punto de Arago.

Después intenté hacerlo iluminando con el láser directamente un objeto circular, sin el telescopio. Probé con un grano de mijo pero no me convencía, y quise usar algo más grande, una canica. Para ensanchar un poco el haz y que cubriera la canica usé una lente divergente (una lente de Barlow, de la valija astronómica, pero tal vez se podría usar un anteojo de miopía). Apoyé la bolita sobre el tornillo de un trípode y la sombra se vio así:

El patrón de difracción del tornillo está buenísimo, pero me parecía distractivo. Clavé tres alfileres y apoyé la bolita sobre ellos. Me quedó así, con una pinta de La Guerra de los Mundos:

Estuve pensando en estas cosas mientras preparaba el Coloquio del Balseiro sobre exoplanetas (especial para chicos de 7o grado). Resulta que si uno quiere fotografiar directamente un planeta alrededor de otra estrella, como la estrella brilla millones de veces más que el planeta, tiene que taparla con una máscara. Puede hacerse, pero es muy difícil y no da buen resultado. Pero se puede diseñar la máscara de manera ingeniosa para evitar el punto de Arago, logrando que el centro de la sombra sea extremadamente oscuro. Poniendo un telescopio en este punto se podría fotografiar y analizar la luz de un exoplaneta de manera directa. Estas máscaras tienen un diseño precioso, como pétalos de una flor. Tendrían que ir dobladas como un origami dentro de un cohete para ser puestas en el espacio. No hay duda de que las veremos en pocos años.

Tal vez Poisson se dejó llevar por la práctica matemática de las demostraciones por reducción al absurdo. Pero la física es una ciencia natural: a diferencia de la matemática, la verdad hay que encontrarla en el mundo real, no en la lógica del razonamiento.

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La imagen de la Starshade es de la NASA/JPL. La foto de la sombra de la mano no es de un alienígenea: se ve así rara porque fue tomada durante el eclipse solar del 26 de febrero de 2017.

La Supertierra

No, no voy a hablar de exoplanetas (aunque debería). Esto es algo más cercano, y relacionado con la hoy popular Superluna: la Luna llena que coincide con el punto más cercano de su órbita. Ya lo hemos comentado: la órbita de la Luna es ovalada (es una elipse), así que una vez por mes la Luna se encuentra más cerca de la Tierra (el perigeo). Cuando coincide con la Luna llena, la vemos más grande en el cielo. No mucho, pero más grande.

¡Lo mismo debe ocurrir mirando la Tierra desde la Luna! Las fases de la Tierra y la Luna son opuestas. Cuando en la Tierra hay Luna nueva vemos su hemisferio nocturno, así que en la Luna hay Tierra llena. Si coincide con el perigeo, los noticieros lunares anuncian ¡Supertierra! O anunciarán, cuando la Luna esté colonizada y haya canales de noticias. ¿Sel Ene Ene?

Mientras tanto podemos simularlo en Stellarium, que permite poner el punto de observación en cualquier mundo del sistema solar. Una rápida consulta a mi Calculadora de Superlunas (siempre accesible aquí en el menú de la derecha) nos informa que esta semana habrá perigeo y Luna nueva. Ergo, Supertierra. Nos paramos en el Mar de las Crisis por ejemplo, y podemos ver la Supertierra del 25 de mayo, y compararla con la Minitierra (durante el apogeo del 18 de diciembre):

No parece mucho más grande que la Minitierra del apogeo del 18 de diciembre. Después de todo, la diferencia de tamaño es como entre una Superluna y una Miniluna. Stellarium nos informa las magnitudes de la Supertierra (-16.21) y de la Minitierra (-16), y podemos calcular que la Supertierra es un 21% más brillante. Pero en realidad la Tierra llena es bastante más brillante que la Luna llena: porque la Tierra es más grande, y porque la Luna refleja muy poca luz. Volvemos a la Tierra para observar la Superluna del 1 de enero de 2018 (-12.47), y resulta que ¡la Supertierra es 31 veces más brillante!

Definitivamente, una Supertierra debe ser digna de verse.

Problemas de tránsito

¡Qué difícil que fue ver el tránsito de Mercurio de la semana pasada! En casi todo el país estuvo nublado. También en Valle Grande, Mendoza, donde un centenar de aficionados a la astronomía estábamos reunidos. La pasamos estupendo, pero fue una reunión social más que una star party, ya que estuvo muy nublado todas las noches. Pero tuvimos muuucha suerte y el Sol, con Mercurio por delante, se dejaron ver durante algunos minutos en la mañana del 9 de mayo. Ésta es la mejor foto que conseguimos con mi amigo Cristian:

No está mal, y las nubes hasta le agregan cierto encanto. Mercurio es la manchita de arriba a la derecha. La de abajo a la izquierda es una mancha solar bastante grande. Si descargan la imagen en resolución completa podrán ver la diferencia de forma y negrura de ambas. O revisen las muchas fotos que hay online.

Me pregunto cuántos habrán podido observarlo con la técnica de proyección que recomendamos aquí. Mercurio es tan chiquito que tapa apenas 0.004% de la luz del Sol. Aún así, un tránsito planetario es algo tan distinto de las otras fluctuaciones de la luz de una estrella (tales como manchas o variaciones intrínsecas de luminosidad), tan singular, que un observador atento, convenientemente ubicado, podría observarlo desde cientos de años luz de distancia. ¡Cómo! ¿De veras?

No sólo de veras sino que lo hemos estado haciendo desde el año 2009. Hay un telescopio espacial, llamado Kepler, diseñado precisamente para observar tránsitos planetarios alrededor de estrellas lejanas. Observa fijamente un pedacito de cielo relativamente amplio, de unos 100 grados cuadrados (como una mano con el brazo extendido). Con la paciencia de las máquinas contempla sin pausa más de 100 mil estrellas a la vez, acumulando luz y produciendo una imagen intencionalmente desenfocada cada 30 minutos. Una vez por mes se comunica con la Tierra (está bastante lejos) para que descarguemos sus minuciosas observaciones. Kepler habría podido observar el tránsito de Mercurio desde 500 años luz de distancia. Los astrónomos que lo diseñaron tenían la expectativa de observar unos cientos de planetas en 4 años.  ¿Y? ¿Vieron algo?

Vieron miles. Miles de planetas. Al día de hoy más de 2000 están confirmados, y hay varios miles más todavía entre los candidatos. Algo que siempre sospechamos, algo que ya Giordano Bruno declaraba como una necesidad natural: la multiplicidad de los mundos alrededor de las estrellas, es finalmente una certeza. Los resultados de Kepler nos aseguran que hay más planetas que estrellas en la galaxia, que hay cientos de miles de millones de planetas, muchos de ellos mundos rocosos como la Tierra, otros gigantes como Júpiter. Algunos calientes, otros fríos, otros en la conjetural región "habitable". Muy pronto sabremos sobre sus atmósferas, sus geologías, sus lunas...

El día siguiente al tránsito de Mercurio Kepler anunció la confirmación de varios cientos de planetas adicionales de entre sus candidatos, y como no encontré ninguna representación visual decidí hacerla yo mismo. Adaptando y traduciendo al castellano un script que hizo Ethan Kruse hace unos años y que me gusta mucho. Aquí está el resultado. Dura un minuto y medio, y se ve mejor en pantalla completa y máxima resolución:

Notable, ¿no? Cada uno de esos simbolitos es un mundo, un mundo distante, inmenso, real y misterioso. Con sus días y sus noches, sus años, su sol, sus constelaciones. ¡Compártanlo, así lo ve mucha gente!

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El video está realizado por mí, usando una adaptación del script de Ethan Kruse (http://github.com/ethankruse/kepler_orrery) y datos de la base de datos de exoplanetas de la NASA (http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu), usando sólo planetas confirmados de Kepler. La base de datos contiene actualmente 3264 planetas confirmados en total, 2291 de Kepler, 2289 de los cuales están en el video. Pueden usarlo y compartirlo como les plazca.