Una vez más Juan Antonio Bernedo nos envía un artículo con la actualidad astronómica de los últimos tres meses. Muchas de ellas no han sido cubiertas por NeoFronteras en el pasado.
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Otra estimación local de la constante de Hubble
Una vez más Juan Antonio Bernedo nos envía un artículo con la actualidad astronómica de los últimos tres meses. Muchas de ellas no han sido cubiertas por NeoFronteras en el pasado.
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En la edición anterior del «Kiosco» ya presentábamos otra estimación del equipo «H0LiCOW», basada en los cuásares lejanos (ver artículo: MÁS DATOS DISCREPANTES SOBRE LA CONSTANTE DE HUBBLE. El valor que estimaba el equipo de ese estudio era de 72±3 km/s/Mpc.
Ahora, una nueva estimación de la constante de Hubble basada en una calibración de la rama de gigantes rojas (TRGB: Tip of the Red Giant Branch) aplicada a supernovas tipo Ia. El valor que se acaba de publicar, 69,8 ± 1,9 km/s/Mpc, es intermedio entre el valor estimado por el modelo cosmológico ΛCDM y datos del satélite Planck (67,4 ± 0,5 km/s/Mpc) y el método de la escalera de distancias que usa cefeidas y supernovas Ia, que conduce a 73,9 ± 1,6 km/s/Mpc (esta última, más próxima a la estimación H0LiCOW).
El nuevo método independiente se diferencia del método de la escalera de distancias en cómo se calibra la distancia a las supernovas Ia. Con la escalera de distancias se usan estimaciones basadas en cefeidas, es decir, se estima la pendiente de una recta apoyándola en la pendiente de otra recta que a su vez se apoya en otra recta, un método sujeto a muchos errores. Con el nuevo método solo se usa la distancia a la Gran Nube de Magallanes y para estimarla se usan 20 estrellas binarias eclipsantes así como la paralaje de una ceféida gracias al telescopio espacial Spitzer.
Más allá de los detalles técnicos, lo más importante es que la nueva calibración de distancias es independiente de la escalera de distancias y se basa en la calibración como candela estándar de estrellas gigantes rojas en el momento del «flash de Helio», que parece más fiable que el método de las Ceféidas y supernovas Ia para estimar distancias. Sin embargo, el método nuevo tiene la incertidumbre de la cantidad de polvo estimado en la Gran Nube de Magallanes por los autores, que calibraron sus medidas de Gigantes rojas y Ceféidas de esa galaxia cercana.
La ventaja principal es que las gigantes rojas son más comunes que las cefeidas y resulta fácil divisarlas en las regiones periféricas de las galaxias, donde las estrellas están bien separadas entre sí y el polvo no es problema. Tienen brillos muy diferentes, pero, tomada en su conjunto, la población de gigantes rojas de una galaxia presenta una característica muy útil. El brillo de las estrellas aumenta a lo largo de millones de años hasta que alcanza un máximo, y entonces cae de pronto. Cuando se representa gráficamente un grupo grande de estrellas por su color y su brillo, las gigantes rojas parecen una nube de puntos que termina en una punta nítida. Las estrellas de esa punta pueden servir entonces como candelas estándar.
El equipo investigador ha usado esta técnica para calcular las distancias a 18 galaxias y ha obtenido una estimación de la constante de Hubble algo mayor (Ho=69,8) que el del fondo cósmico de microondas (CMB) y sus barras de error ya llegan a solapar con los valores obtenidos en el universo local, no elimina la discrepancia que parece haber entre valores de Ho obtenidos localmente y en el universo lejano.
Ya hay científicos que achacan la discrepancia a fallos en la teoría cosmológica estándar, llamada ΛCDM, que presupone la existencia de partículas invisibles de materia oscura así como una misteriosa fuerza repulsiva, la energía oscura, pero resulta difícil encontrar correcciones fáciles a esa teoría.
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Este estudio, dirigido por Wendy Freedman, de la universidad de Chicago, se publica en Astrophysical Journal y recuerda que es difícil zanjar las discrepancias entre las medidas locales y lejanas, estimando que para validar esas medidas del universo cercano sería preciso medir la constante de Hubble con una precisión mejor que el 1%, a lo que ayudarán los datos obtenidos por GAIA.
Fuentes:
Investigación y Ciencia, 21 julio 2019 [1]
Artículo original en Nature, 16 de julio 2019 [2]
El monte Ahuna en Ceres
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Dawn fue la primera misión en orbitar un objeto en el cinturón de asteroides que se encuentra entre Marte y Júpiter, y en estudiar tanto el gran asteroide Vesta como el planeta enano Ceres. Este último es uno de los cinco planetas enanos reconocidos en el Sistema Solar (Plutón es otro de ellos). Dawn entró en la órbita de este mundo rocoso el 6 de marzo de 2015 y permaneció observando su superficie irregular, helada y tachonada de cráteres hasta que, en octubre de 2018, se quedó sin combustible.
En esta reconstrucción en perspectiva podemos apreciar una de las formaciones que estudió la misión: Ahuna Mons. El pico de esta montaña alcanza 4.000 m de altura y se caracteriza por los numerosos rastros brillantes que descienden por sus flancos. Los científicos han descubierto que se trata de depósitos de sal que quedaron tras la formación de Ahuna Mons, cuando se levantaron y salieron del interior de Ceres columnas de agua salada y barro que atravesaron su superficie y crearon la montaña que vemos aquí. Aunque las temperaturas de Ceres son mucho más frías que las de la Tierra, se cree que este mecanismo sería similar al de la formación de volcanes mediante columnas de magma terrestre.
Más recientemente, un estudio de los datos de Dawn dirigido por los becarios de investigación de la ESA Ottaviano Ruesch y Antonio Genova (Sapienza Università di Roma) y publicado en Nature Geoscience en junio, sugiere que bajo la superficie de Ceres se halla un lecho fangoso y salado que habría ascendido y brotado a través de la corteza para dar lugar a Ahuna Mons. Otro estudio reciente, dirigido por Javier Ruiz (Universidad Complutense de Madrid) y publicado en Nature Astronomy en julio, también indica que el planeta enano presenta una geología sorprendentemente dinámica.
Ceres también fue objeto de un estudio anterior del observatorio espacial Herschel de la ESA, en el que se detectó vapor de agua alrededor del planeta enano. Publicado en Nature en 2014, el resultado ofrecía claros indicios de que Ceres contendría hielo en la superficie o cerca de ella. En 2016, Dawn confirmó mediante la observación directa que Ceres poseía una corteza helada. Sin embargo, la contribución de los depósitos de hielo a la exosfera de Ceres resultó ser muy inferior a lo que las observaciones de Herschel hacían suponer.
Fuente: Fotonoticia de ESA, 29 julio 2019 [3]
La basura espacial ya es un problema muy preocupante
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Aunque el espacio es inmenso, las inmediaciones de nuestro planeta se hallan repletas de una cantidad cada vez mayor de basura (puntos en la imagen). Para derribar un satélite bastaría con alcanzarlo con un trozo de chatarra de apenas 10 centímetros de diámetro, mientras que una esquirla de menos de un centímetro podría bastar para inutilizar una nave espacial. Y cuantos más objetos haya (operativos, inactivos o fragmentados), más reentradas en la atmósfera se producirán (franja rosa). El problema de las colisiones se ha agravado tanto que, en 2016, la Agencia Espacial Europea, que se encarga de rastrear los objetos, anunció que podría capturar satélites abandonados en órbitas bajas a partir de 2023. La basura espacial se acumula con rapidez, pues cada vez hay más países y compañías que lanzan aparatos al espacio. En febrero de 2017, un solo cohete de la India puso en una órbita 101 cubesats, minisatélites del tamaño de una caja de zapatos.
Aunque a partir de hoy cesara toda actividad espacial, la chatarra que ya se encuentra en órbita continuaría colisionando y fragmentándose durante siglos. Al ritmo actual de lanzamientos el problema no hará sino empeorar. La prueba de un arma anti-satélites que China ejecutó en 2007 y una colisión entre satélites de EE.UU. y Rusia en 2009 han disparado el número de objetos acumulados durante el último lustro. Los Gobiernos convienen en la necesidad de implementar medidas de limpieza, pero los expertos aún han de encontrar una solución viable.
En la actualidad hay catalogados más de 16.000 objetos (ESA cree que hay 29.000) con un tamaño superior a los 10 centímetros, la mayoría de ellos en órbitas terrestres bajas, entre 200 y 2000 kilómetros de altitud. Pero además hay 750.000 entre 1 y 10cm, y 166 millones de entre 1 y 10 mm.
Fuente:
Investigación y Ciencia, 1 de agosto de 2019 [4]
¿Qué son las ráfagas rápidas de radio?
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Hay un tipo de señales llegadas desde el espacio que intrigan a los astrónomos y que se conocen desde 2007. En la Tierra se reciben como ráfagas de radio brevísimas, de unos milisegundos, y muy débiles debido a su origen lejano. Durante ese breve tiempo emiten tanta energía como el Sol en 80 años. Por ahora no se sabe qué tipo de objetos producen las FRB (ráfagas rápidas de radio, fast radio bursts, en inglés), aunque existe un buen número de hipótesis.
Se han descubierto hasta el momento 85 de estas señales, pero solo una de ellas, FRB 121102, se ha localizado con la precisión suficiente como para conocer su galaxia de origen. Esa ráfaga era también bastante especial dentro de una familia de por sí extraña, porque era una de las dos ráfagas que después de ser descubiertas se han vuelto a repetir. En el resto de los casos, pese a mirar en la misma dirección del cielo, las ráfagas no se repitieron.
La información codificada en las señales de las FRB podría ayudar a desentrañar el misterio de la materia perdida del universo. Los científicos que tratan de desentrañar este misterio cósmico han añadido una pieza más de información. En junio, la revista Science publicó el trabajo de un equipo internacional de científicos que ha localizado por primera vez una FRB que no se ha repetido. Un grupo liderado por el investigador del CSIRO australiano Keith Bannister creó un sistema para localizar estos pulsos extremadamente breves y pudo averiguar que FRB180924, como se ha clasificado el nuevo descubrimiento, había surgido de las afueras de una galaxia del tamaño de la Vía Láctea a 3.600 millones de años-luz de distancia de la Tierra.
La nueva información, obtenida con el radiotelescopio australiano ASKAP y mejorada con varios grandes telescopios ópticos de todo el mundo, no ha aclarado demasiado la naturaleza de estas señales, un asunto que ha generado decenas de teorías en busca de una explicación. La galaxia desde la que había llegado la primera ráfaga de origen conocido era pequeña y en ella estaban naciendo una gran cantidad de estrellas, una actividad que, se pensó, podría estar detrás del fenómeno. Sin embargo, la galaxia de esta FRB es 1.000 veces más masiva y en ella apenas se forman nuevos astros. Esto quiere decir que las FRB pueden proceder de un amplio rango de galaxias y entornos, sin ser necesarias unas condiciones especiales para que se produzcan.
La nueva observación puede significar que varias teorías sobre el origen de las ráfagas rápidas de radio sean correctas, o que ninguna lo sea. La nueva FRB, resta probabilidades a varios modelos, al menos como explicación única de estas señales. Los agujeros negros supermasivos, monstruos con masas que pueden ser 10.000 veces la del Sol y habitan el centro de las galaxias, están descartados, porque esta FRB viene de las afueras de una galaxia. Las estrellas muy jóvenes, como un magnetar formado tras el estallido de una supernova, también están probablemente fuera, igual que los modelos que no necesitan galaxias, como el de las cuerdas cósmicas. En cualquier caso, que esta estrella sea tan diferente de la anterior obliga a replantearse cómo pueden producirse FRB en entornos tan diversos.
Mientras se averigua qué tipo de objeto genera estas intrigantes frecuencias, los astrónomos ya les están buscando utilidad. Una de las incógnitas que pueden ayudar a despejar estos pulsos llegados desde galaxias lejanas es el problema de la materia perdida u oscura del universo. Los astrónomos calculan que aproximadamente un 4% del universo está hecho de materia normal, como la que compone las estrellas o los seres humanos. Sin embargo, cuando miramos al cielo solo encontramos la mitad de esa materia en forma de polvo, gas y estrellas.
La otra mitad se cree que está oculta en forma de gas entre la galaxia, en lo que llamamos el medio intergaláctico o la red cósmica, pero nadie lo sabe con seguridad. Las FRB podrían servir como una especie de sonda para explorar esa inmensa red cósmica. El plasma que atravesó esta FRB en su viaje por el medio intergaláctico hasta la Tierra quedó codificado en su señal de alguna forma. Si se descubren más pulsos similares, la información que transportan se podría utilizar para desentrañar el secreto de la materia perdida del universo.
Fuente:
Science, 28 junio 2019 [5]
Nuevos datos del bosón de Higgs
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Siete años después del anuncio de su descubrimiento, siguen las investigaciones encaminadas a descubrir los menores detalles del comportamiento del bosón de Higgs. Las colaboraciones ATLAS y CMS del CERN, en Ginebra, a las que se debe el memorable descubrimiento de 2012 y que fue posible gracias a los choques de protones en el Gran Acelerador de Hadrones (LHC), están poniendo orden en los diez mil millones de colisiones observadas durante Run 2, la segunda fase de toma de datos en el LHC, que tuvo lugar entre 2015 y 2018.
Los resultados, presentados en la Conferencia de Física de Altas Energías de la Sociedad Europea de Física (EPS-HEP), celebrada en Gante, aportan indicaciones importantes para proseguir las investigaciones en «Run 3», la tercera fase de toma de datos, prevista para 2021-2023, y en la futura era del LHC, de «alta luminosidad», a partir de 2026. Las mediciones de ATLAS y CMS señalan hasta ahora que, dentro de la actual incertidumbre estadística, los ritmos de producción y desintegración observados son compatibles con los previstos por el modelo estándar, la teoría que describe el comportamiento de las partículas elementales.
El descubrimiento del bosón de Higgs ha sido al mismo tiempo un punto de llegada y uno de salida hacia una eventual nueva física. Esta partícula elemental, predicha entre otros por el físico británico Peter Higgs en los años sesenta, es crucial en la estructura del modelo estándar, ya que forma parte del mecanismo que confiere masa a las partículas elementales. Los experimentos no pueden observar directamente el bosón de Higgs, que es muy inestable y se desintegra en un tiempo cortísimo (10–22 segundos) en otras partículas: solo es posible conocer todas sus características estudiando esos productos de su desintegración en medio de las partículas creadas en las colisiones de los protones.
Se han seguido explorando las formas de desintegración que llevaron al descubrimiento de 2012. La primera es la desintegración en dos bolsones Z, las partículas intermediarias que vehiculan la interacción débil (una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, que participa en las desintegraciones radiactivas), que a su vez producen cuatro leptones (electrones o muones); la segunda, la desintegración en dos fotones. Aunque raros, estos «canales» de desintegración pueden ser identificados con facilidad, lo que permite estudiar las propiedades del bosón de Higgs.
Una medición particularmente fina de ATLAS es la que se refiere a otro tipo de desintegración del Higgs: en un par de muones, partículas que, junto los quarks encanto y extraño, forman la llamada segunda generación de firmones. Otros logros recientes han sido observar la desintegración del Higgs en un quark de la tercera generación, el botón, y su producción asociada al otro quark de ese tipo, el top.
Este resultado muestra que ya se está cerca de la sensibilidad necesaria para comprobar las predicciones del modelo estándar también para esta rara desintegración del bosón de Higgs. Pero para un juicio definitivo sobre la segunda generación se requerirá una base de datos aún más amplia, la que el LHC proveerá en el Run 3 y en la fase de alta luminosidad.
Por otro lado, el equipo de CMS ha presentado los primeros resultados de la investigación de la desintegración del Higgs en un par de quarks encanto, proceso en el que estos generan inmediatamente chorros de otras partículas.
Identificar las partículas generadas por los quarks encanto entre los otros tipos de partículas es un gran reto y se han tenido que desarrollar nuevas técnicas de inteligencia artificial y aprendizaje automático para esta tarea.
Fuente:
Investigación y Ciencia, 16 julio 2019. Artículo traducido y adaptado de Le Scienze. [6]
Un rompecabezas de 10 millones de estrellas
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A simple vista, Omega Centauri no parece más que una estrella tenue y difusa. Sin embargo, como vemos en esta imagen, ese cúmulo globular está formado por un gran conjunto de estrellas: unos diez millones. Aunque no podamos contarlas, en esta nítida y bella imagen podemos apreciar algunos de los numerosos puntos brillantes que conforman este cúmulo único.
La imagen fue capturada por Wouter van Reeven, ingeniero de software del Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC) de la ESA en Madrid, durante su reciente viaje a Chile para observar el eclipse total de Sol de julio 2019. Desde su casa en España, el cúmulo apenas asoma por el horizonte, por lo que es casi imposible de fotografiar, pero desde el observatorio chileno de La Silla se veía en lo alto del cielo, por lo que ofrecía la oportunidad perfecta para inmortalizarlo.
Omega Centauri constituye un ejemplo perfecto de cúmulo globular: su centro presenta una altísima densidad de estrellas, fuertemente unidas por la gravedad, que le confieren una forma casi totalmente esférica. Se halla en el halo de la Vía Láctea, a unos 15.800 años-luz de la Tierra.
Al igual que otros cúmulos globulares, Omega Centauri está formado por estrellas muy antiguas y está casi vacío de gas y polvo, lo que indica que la formación estelar cesó hace mucho tiempo. Sus estrellas presentan una baja proporción de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, lo que demuestra que se formaron en un momento de la historia del universo anterior a estrellas como nuestro Sol. No obstante, a diferencia de otros cúmulos globulares, no todas las estrellas de Omega Centauri tienen la misma edad y composición química, por lo que los astrónomos tienen dudas sobre la formación y evolución de este cúmulo. Algunos incluso han llegado a sugerir que Omega Centauri no es un cúmulo de verdad, sino los restos de una galaxia enana que colisionó con la Vía Láctea.
Omega Centauri también es especial por otros muchos motivos, por ejemplo, debido al impresionante número de estrellas que contiene. Se trata del mayor cúmulo globular de nuestra galaxia, con unos 150 años-luz de diámetro, y también es el más brillante y masivo de su clase, pues la masa combinada de sus 10 millones de estrellas equivale a unos cuatro millones de masas solares.
Omega Centauri puede verse a simple vista bajo cielos oscuros, y para fotografiarlo no hacen falta exposiciones largas. Para crear esta composición, Wouter combinó ocho imágenes tomadas con 10 segundos de exposición, siete imágenes de 30 segundos cada una y otras siete de 60 segundos cada una. Utilizó un telescopio SkyWatcher Esprit 80 ED y una cámara Canon EOS 200D.
Fuente:
Fotonoticia de ESA de 22 julio 2019 [7]
La misión Dragonfly (Libélula) a Titán
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La NASA enviará un dron doble-cuadrirrotor para que vaya saltando por la superficie de Titán, la mayor luna de Saturno, según ha anunciado el 27 de junio. Esta misión llevará el nombre de Dragonfly (Libélula). El lanzamiento se producirá en 2026 y llegará a Titán en 2034.
Se trata de un dron con el tamaño de un vehículo (rover) marciano que podrá volar de sitio en sitio por Titán. Libélula estará impulsada por energía nuclear. Atravesará volando decenas de kilómetros en menos de una hora; cubrirá así el terreno mucho más deprisa que un vehículo con ruedas. En el trascurso de la misión, que durará dos años, recorrerá cientos de kilómetros.
De las nubes de la atmósfera de Titán, ricas en hidrocarburos, cae sobre la superficie de esa luna lluvia de metano y etano. El líquido se acumula en lagos y mares, como los que vio en diversos puntos la nave Cassini de la NASA entre 2009 y 2017 produciendo reflejos bajo la luz del Sol. Algunos de los lagos crecen y se encogen con el cambio de las estaciones en Titán.
Libélula estudiará la atmósfera mientras revolotea, y se posará en la superficie del satélite, con largas paradas en ella. Explorará zonas donde lagos ricos en metano y etano se hayan secado recientemente; mientras se secan puede que dejen residuos con abundancia de compuestos orgánicos, como los que habría en la Tierra primitiva antes de que apareciese la vida: Titán tiene todos los ingredientes clave necesarios para la vida.
En 2005, la sonda Huygens, de la Agencia Europea del Espacio, se convirtió en la primera nave espacial que aterrizaba en Titán. Durante el descenso midió la temperatura, la presión y la densidad de la atmósfera de Titán, y mandó a la Tierra imágenes del paisaje, abrupto, rocoso, durante 72 minutos tras el aterrizaje.
Libélula derrotó a otra propuesta de una misión para traer de vuelta una muestra del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, explorado por la nave Rosetta de la Agencia Europea del Espacio entre 2014 y 2016: el proyecto Retorno de Muestras de la Exploración Astrobiológica del Cometa (CAESAR), que traería a la Tierra al menos 80 gramos de material del núcleo de 67P, con mucho la mayor muestra jamás tomada en un cometa. La misión STARDUST de la NASA reunió un microgramo de polvo del cometa Wild 2 en 2004.
Libélula forma parte del programa Nuevas Fronteras, de la NASA, con un coste inferior a 850 millones de dólares de 2015, sin contar el lanzador.
Las tres anteriores misiones de Nuevas Fronteras son Nuevos Horizontes, que pasó en 2015 junto a Plutón y a principios de este año, de una roca más pequeña del sistema solar exterior; Juno, que lleva orbitando alrededor de Júpiter desde 2016; y OSIRIS-REx, que da vueltas alrededor del asteroide Bennu y recogerá el año que viene una muestra de este, con la que volverá a la Tierra.
Asteroides en campos de galaxias
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Esto es lo que le sucedió al Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA hace un par de años. Mientras observaba galaxias distantes a miles de millones de años-luz de distancia, el telescopio detectó por casualidad varios asteroides, pequeños objetos del Sistema Solar que residen «solo» a unas pocas decenas a cientos de millones de kilómetros de la Tierra.
Los asteroides se encuentran principalmente en un área llamada «cinturón principal», entre las órbitas de Marte y Júpiter. Hasta la fecha se han identificado más de 700.000 asteroides, y las predicciones indican que podrían existir muchos más, cada uno sobrante de los primeros días cuando los planetas se formaban alrededor del Sol.
Las rayas curvas o en forma de «S» en esta imagen son trazas dejadas por asteroides a medida que se mueven a lo largo de sus órbitas. En lugar de dejar un rastro largo, los asteroides aparecen en múltiples exposiciones del Hubble que se han combinado en una imagen. La imagen muestra un total de veinte rastros de asteroides, pertenecientes a siete objetos únicos; cinco de estos fueron nuevos descubrimientos, demasiado débiles para ser vistos previamente.
Esta semana, un equipo de astrónomos, científicos planetarios e ingenieros de software con sede en la ESA y otros institutos de investigación ha lanzado un nuevo proyecto de ciencia ciudadana: el Hubble Asteroid Hunter. El proyecto se desarrolló como parte del Zooniverse, la plataforma más grande y popular del mundo para la investigación impulsada por las personas.
El nuevo proyecto presenta una colección de imágenes de archivo de Hubble donde los cálculos indican que un asteroide podría haber cruzado el campo de visión en el momento de la observación. Al identificar los asteroides potencialmente presentes en estas imágenes y marcar la posición exacta de sus rastros, el público también puede ayudar al equipo a mejorar la determinación de la órbita de los asteroides y caracterizar mejor estos objetos. El conocimiento preciso de la órbita es particularmente importante para los llamados asteroides cercanos a la Tierra, aquellos que potencialmente vuelan cerca de nuestro planeta.
Esta imagen fue tomada como parte del programa Frontier Fields, una iniciativa del Hubble para superar los límites del telescopio, observando seis cúmulos de galaxias masivas (enormes objetos cósmicos que comprenden cientos de galaxias junto con gas caliente y materia oscura) y explotando su efecto como lente gravitacional en fuentes de fondo para capturar luz de galaxias extremadamente distantes.
Mientras observaba cada grupo con una de las cámaras del Hubble, el equipo también usó una cámara diferente, apuntando en una dirección ligeramente diferente, para fotografiar seis llamados «campos paralelos». Esto maximizó la eficiencia de observación del Hubble al hacer exposiciones en el espacio profundo, imaginando una miríada de galaxias lejanas.
Esta imagen, publicada por primera vez en 2017, muestra el campo paralelo para el cúmulo de galaxias Abell 370. Fue ensamblado a partir de imágenes tomadas en luz visible e infrarroja y contiene miles de galaxias, incluidas elípticas masivas de color amarillento y majestuosas espirales azules. Galaxias azules fragmentarias mucho más pequeñas están esparcidas por todo el campo. Los objetos más rojos son probablemente las galaxias más lejanas, cuya luz se ha extendido a la parte roja del espectro por la expansión del espacio.
La posición de este campo en el cielo está cerca de la eclíptica, el plano de nuestro Sistema Solar. Esta es la región en la que la mayoría de los asteroides orbitan alrededor del Sol, razón por la cual los astrónomos del Hubble vieron tantos cruces.
Cada año, el 30 de junio, se celebra el Día Mundial de los Asteroides sancionado por la ONU para crear conciencia sobre los asteroides y lo que se puede hacer para proteger a la Tierra de posibles impactos. El día cae en el aniversario del evento de Tunguska que tuvo lugar el 30 de junio de 1908, el evento relacionado con asteroides más dañino conocido en la historia reciente.
Fuente:
Fotonoticia de ESA, 24 junio 2019. [9]
Alta emisión de metano en Marte captada por Cusiosity
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El vehículo Curiosity, de la NASA, ha medido el mayor nivel de metano (21 partes por mil millones) que se haya encontrado jamás en la atmósfera marciana a la altura de la superficie. Esa medida de junio es el triple del récord anterior, una medición de 2013 efectuada por el propio Curiosity.
Los planetólogos siguen ansiosamente el metano marciano porque su presencia puede ser una señal de la existencia de vida en el Planeta Rojo. En el nuestro, la mayor parte del metano es producida por seres vivos, si bien puede venir también de fuentes geológicas, de reacciones químicas que afectan a las rocas. Varias naves espaciales y telescopios han captado metano en Marte a lo largo de los últimos dieciséis años, pero el gas no aparece conforme a alguna pauta predecible, lo que ahonda el misterio de su origen (ver «Kiosco» anterior).
El Curiosity ha detectado metano muchas veces desde que aterrizó en el cráter Gale en 2012. El nivel se caracteriza por ser bajo, a menudo de unas partes por billón, y parece aumentar y disminuir según van cambiando las estaciones marcianas.
Esta última medición de 21 partes por mil millones es mucho mayor, según físicos del Instituto de Investigaciones Espaciales de Moscú, encargado de uno de los instrumentos que olisquean el metano a bordo del Orbitador de Gases Traza (TGO). El lanzamiento de esta nave espacial se produjo en 2016; se quería resolver con ella el misterio del metano de Marte, pero hasta ahora no ha dado con cantidad alguna del huidizo gas.
Una explicación puede ser que el metano se diluya o destruya a medida que asciende por la atmósfera, puesto que la sonda TGO no lo detecta y las sondas orbitales como esa son las más adecuadas para medir el metano a muchos kilómetros de altura sobre la superficie.
El Orbitador TGO busca ahora metano en la atmósfera por encima del cráter Gale. Lo mismo está haciendo la nave Mars Express, de la Agencia Espacial Europea, el otro satélite que gira alrededor de Marte midiendo metano.
La NASA ha extendido la permanencia del Curiosity en su actual localización en el cráter, un lugar llamado Teal Ridge. Los científicos de la Agencia efectuaron un experimento de detección de metano unos días después, como seguimiento de la medición récord, y el 24 de junio anunciaron que habían detectado un nivel de metano muy inferior, menos de una parte por mil millones, lo que da a entender que la lectura más alta se debió a un surtidor transitorio del gas.
Fuente:
Artículo Investigación y Ciencia 26 de Junio de 2019 traducido y adaptado con permiso de Nature Research [10]
Evidencias de un cúmulo de materia oscura atravesando nuestra galaxia
Hay evidencia dinámica de un denso objeto invisible, identificado a partir de una serie de huecos en la corriente estelar más larga de nuestra galaxia, GD-1.
Las corrientes estelares son alineaciones de estrellas que se mueven juntas a través de las galaxias, a menudo originadas en pequeñas manchas de estrellas que colisionaron con la galaxia en cuestión. Las estrellas en GD-1, remanentes de un cúmulo globular que se hundió en la Vía Láctea hace mucho tiempo, se extienden en una larga línea a través de nuestro cielo.
En condiciones normales, la corriente debe ser más o menos una sola línea, dispersada por el tirón gravitatorio de nuestra galaxia. En esa corriente, los autores del estudio esperaban una única brecha, en el punto donde estaba el cúmulo globular original antes de que sus estrellas se alejaran en dos direcciones. Pero demostraron que GD-1 tiene una segunda brecha. Y esa brecha tiene un borde irregular, una región que llamaron el «espolón» de GD-1, como si algo enorme se hubiera lanzado a través de la corriente no hace mucho tiempo, arrastrando estrellas en su camino con su enorme gravedad. Es decir: GD-1, al parecer, fue atravesado por un objeto invisible.
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Ese objeto debe tratarse de algo muy masivo. Algo así como un millón de veces la masa del Sol. En principio se puede pensar en un agujero negro supermasivo del tipo que encontramos en el centro de nuestra propia galaxia.
No es imposible que haya un segundo agujero negro supermasivo en nuestra galaxia, pero esperaríamos ver algún signo de ello, como llamaradas o radiación de su disco de acreción. Y la mayoría de las galaxias grandes parecen tener un solo agujero negro supermasivo en su centro, por lo que esta explicación no es probable.
Sin objetos gigantes y brillantes visibles alejándose de GD-1, y sin evidencia de un segundo agujero negro supermasivo oculto en nuestra galaxia, la única opción obvia que queda es un gran cúmulo o nódulo de materia oscura. Se cree que tendría de 10 a 20 parsecs de ancho, más o menos el tamaño de un cúmulo globular.
También podría tratarse de un objeto luminoso, puesto que los investigadores no saben lo rápido que se movió durante el impacto y lo lejos que estaría ahora. Podría haber estado moviéndose muy rápido, sin ser tan pesado como se esperaba: una verdadera bala oscura. O podría haber estado moviéndose más lentamente pero siendo muy masivo: una especie de martillo oscuro. Sin una respuesta a esa pregunta, es imposible estar seguro de dónde habría terminado.
Hasta ahora, este descubrimiento es único en su género, tan nuevo, que aún no se ha publicado aunque aparecerá próximamente en Astrophysical Journal, y fue bien recibida en el congreso de la American Astronomical Society en St. Louis el 11 de junio pasado.
Para obtener estas conclusiones se basaron en los datos de la misión Gaia, un programa de la Agencia Espacial Europea para mapear miles de millones de estrellas en nuestra galaxia y sus movimientos a través del cielo. Formó el mejor catálogo existente de las estrellas que parecen ser parte de GD-1. A eso añadió datos de observaciones del Telescopio Multi Mirror en Arizona, que mostraba qué estrellas se estaban moviendo hacia la Tierra y cuáles se estaban alejando. Eso ayudó a distinguir entre las estrellas que realmente se movían con GD-1 y las que solo coincidían con la línea de visión en el cielo de la Tierra. Ese esfuerzo produjo la imagen más precisa de GD-1, que reveló la segunda brecha, el espolón y una región previamente invisible de la corriente estelar.
Los investigadores quieren llevar a cabo más proyectos de mapeado para revelar otras regiones del cielo donde algo invisible parece estar perturbando estrellas. La meta final es mapear grupos de materia oscura en toda la Vía Láctea.
Fuente:
Sky and Telescope, 12 junio 2019
Extraña emisión de radio entre cúmulos de galaxias que se aproximan
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Un equipo de astrónomos europeos observa por primera vez una corriente de electrones que viajan a casi la velocidad de la luz y cuyo origen no pueden explicar. Estas insólitas emisiones de radio se producen entre dos cúmulos de galaxias que van a chocar. Es la conexión cósmica de este tipo más grande que jamás se haya observado y su principal interés está en que no hay una explicación aparente de cómo puede existir algo así.
En 2013 y 2016, el satélite Planck desveló los primeros indicios de una corriente de partículas que discurre a lo largo de 10 millones de años-luz y conecta los cúmulos de galaxias Abell 0399 y Abell 0401.
Tras conocer los datos del Planck, el equipo del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia, observó ambos cúmulos con el LOFAR, un gran radiotelescopio con antenas repartidas por varios países europeos cuyo cuerpo central está en Holanda y que es uno de los más sensibles del mundo en el rango de frecuencias bajas. Los resultados, publicados en la prestigiosa revista científica Science, confirman que las emisiones de radio se deben a la presencia de electrones que viajan casi a la velocidad de la luz por un campo magnético que conecta ambos cúmulos de galaxias.
Estas emisiones se habían podido detectar entre galaxias individuales o dentro de un cúmulo concreto, pero nunca se había visto una emisión entre dos cúmulos. Los dos cúmulos estudiados están a 1.000 millones de años-luz de la Tierra.
Cada uno de los cúmulos estudiados tiene una masa billones de veces mayor que el Sol. En estos momentos viajan en una trayectoria de colisión frontal a 1.000 kilómetros por segundo. Se cree que la conexión descubierta es un primer signo que confirma que ambos cúmulos van a chocar y fundirse en uno solo, algo que sucederá dentro de miles de millones de años.
El hallazgo es desconcertante para sus descubridores. El fenómeno observado se conoce como radiación de sincrotrón y sucede cuando partículas muy energéticas se mueven dentro de un campo magnético. El problema es que es muy complicado explicar la naturaleza de estas señales de radio pues un electrón, durante toda su vida media en estas condiciones, solo podría recorrer el 3% de toda la distancia que separa a ambos cúmulos. El fenómeno ha sido llamado “aurora cósmica” por su similitud con las auroras terrestres que se producen cuando partículas muy energéticas emitidas por el Sol impactan contra la atmósfera terrestre en las regiones polares.
En su estudio, los astrónomos han hecho simulaciones para intentar explicar el fenómeno. Su conclusión es que dentro del campo magnético pueden existir “ondas de choque” y turbulencias capaces de acelerar los electrones. La simulación muestra que los electrones no estarían viajando en línea recta, sino más bien de forma caótica, ganando energía, a lo largo y ancho del descomunal campo magnético que conecta ambos cúmulos galácticos.
La pregunta es si esas turbulencias se deben a la presencia de objetos muy masivos y relativamente recientes en la historia del universo, como los agujeros negros que pueda haber entre ambos cúmulos, o bien, tal y como predice el estudio, las anomalías se formaron poco después del origen del universo hace 13.700 millones de años. El próximo objetivo de estos astrónomos es confirmar otras conexiones similares que ya han detectado entre otros cúmulos y buscar otras nuevas mucho más lejanas que las estudiadas, es decir, mucho más antiguas, lo que ayudaría a determinar cuál de las dos opciones es la correcta.
Fuente:
Science, 7 junio 2019 [11]
El ESO-VLT observa un asteroide doble que sobrevoló la Tierra a 20 km/s
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ESO participa en la protección de la Tierra frente a asteroides peligrosos. Las capacidades únicas del instrumento SPHERE, instalado en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, le han permitido obtener las imágenes más nítidas de un asteroide doble que sobrevoló la Tierra el 25 de mayo de 2019. Aunque este asteroide doble no era una amenaza, los científicos aprovecharon la oportunidad para ensayar la respuesta a un posible NEO (Near Earth Object, objeto cercano a la Tierra) peligroso, demostrando que la tecnología de primera línea de ESO podría ser crítica en la defensa planetaria.
El Centro Internacional de Alerta de Asteroides (IAWN, de International Asteroid Warning Network) coordinó desde varias organizaciones una campaña de observación del asteroide 1999 KW4 a su paso por la Tierra, que alcanzó una distancia mínima de 5,2 millones de km el 25 de mayo de 2019. 1999 KW4 tiene aproximadamente 1,3 km de ancho y no representa ningún riesgo para la Tierra. Dado que su órbita es conocida, los científicos pudieron predecir este sobrevuelo y preparar la campaña de observación.
ESO se unió a la campaña con el VLT (Very Large Telescope). El VLT está equipado con SPHERE, uno de los pocos instrumentos del mundo capaz de obtener imágenes lo suficiente precisas como para distinguir los dos componentes del asteroide, que están separados por unos 2,6 km.
SPHERE fue diseñado para observar exoplanetas; su sistema de óptica adaptativa de vanguardia (AO) corrige la turbulencia de la atmósfera, devolviendo imágenes tan nítidas como si el telescopio estuviera en el espacio. También está equipado con coronógrafos para atenuar el brillo de estrellas brillantes, desvelando la presencia de los débiles exoplanetas que las orbitan.
Tomándose un descanso de su trabajo habitual, que implica pasarse la noche cazando exoplanetas, los datos de SPHERE ayudaron a los astrónomos a caracterizar el asteroide doble. En particular, ahora es posible medir si el satélite más pequeño tiene la misma composición que el objeto más grande.
El asteroide doble pasó cerca de la Tierra a más de 70.000 km/h (20 km/s), lo que hizo que observarlo con el VLT fuera todo un desafío debido a que las condiciones atmosféricas eran inestables, a que el asteroide era relativamente débil y se movía muy rápido en el cielo, lo que hizo que el sistema de AO dejara de funcionar en varias ocasiones.
Esta distancia es unas 14 veces la distancia a la Luna, lo suficientemente cerca como para poder estudiarlo, pero no lo suficiente como para ser peligroso. Muchos asteroides pequeños pasan cerca de la Tierra a una distancia mucho menor que 1999 KW4, incluso a veces más cerca que la Luna. El encuentro más reciente de la Tierra con un asteroide tuvo lugar el 15 de febrero de 2013, cuando un asteroide previamente desconocido, de 18 metros de diámetro, explotó al entrar en la atmósfera de la Tierra sobre la ciudad rusa de Chelyabinsk. Los daños producidos por la onda de choque posterior causaron heridas a unas 1.500 personas.
Aunque 1999 KW4 no representa una amenaza de impacto, se parece bastante a otro sistema de asteroides binario llamado Didymos que podría constituir una amenaza a la Tierra en algún momento de un futuro lejano.
Didymos y su compañero, llamado “Didymoon”, son el objetivo de un futuro experimento pionero de defensa planetaria. La nave espacial DART de la NASA impactará sobre Didymoon en un intento de cambiar su órbita alrededor de su gemelo de mayor tamaño, con el fin de poner a prueba la viabilidad de desviar asteroides. Después del impacto, la misión Hera de la ESA monitorizará los asteroides Didymos en 2026 para reunir información clave, incluidos la masa de Didymoon, las propiedades de su superficie y la forma del cráter dejado por la sonda DART.
El éxito de estas misiones depende de la colaboración entre organizaciones, y el seguimiento de objetos cercanos a la Tierra es un importante punto en la colaboración entre ESO y ESA. Este esfuerzo cooperativo ha sido constante desde el éxito del primer seguimiento de un NEO potencialmente peligroso a principios de 2014.
Fuente:
Comunicado institucional de ESO: eso1910es, 3 de Junio de 2019 [12]
Condiciones de habitabilidad de exoplanetas, más estrictas
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Es un hecho que la búsqueda de vida en otros mundos, al menos como se la conoce en la Tierra, debe limitarse a la zona habitable de una estrella, la región de «habitabilidad» región donde las temperaturas son moderadas y el agua puede existir en forma líquida. Ahora se cree que las condiciones para la evolución de la vida son más restrictivas.
La aparición posible de gases tóxicos en la atmósfera de la mayoría de los planetas reduce la zona habitable para una vida compleja y, en algunos casos, la descarta por completo.
Esta es la primera vez que se tienen en cuenta los límites fisiológicos de la vida en la Tierra para predecir la distribución de vida compleja en otras partes del universo.
Usando modelos de ordenador para simular una variedad de climas y procesos fotoquímicos indican que sería necesario mucho más dióxido de carbono en la atmósfera de planetas situados en la parte más externa de la zona habitable tradicional para mantener las temperaturas sobre cero, decenas de miles de veces que en la atmósfera terrestre hoy.
El estudio indica que solo el dióxido de carbono ya reduce la zona habitable para animales simples a la mitad. Para las formas de vida de orden superior, la «zona segura» se reduce aún más. Además, es probable que las zonas habitables de las estrellas enanas tipo M más comunes no serían habitables debido a la radiación ultravioleta y la posterior formación de monóxido de carbono.
Eso incluye Proxima Centauri, la estrella más cercana a la Tierra, y el sistema solar TRAPPIST-1.
Si bien aún no es posible detectar bioseñales en atmósferas de exoplanetas, la investigación proporciona una guía para futuros exámenes a medida que aumenta el número de exoplanetas confirmados.
Todo confirma lo raro y especial que es nuestro planeta. Hasta donde sabemos, la Tierra es el único planeta en el universo que puede sostener la vida humana, lo que nos debería impulsar a conservarlo en buen estado.
Fuente:
Astrophysical Journal, 11 junio 2019 [13]
El nuevo vehículo de reentrada de ESA: SPACE RIDER
Propuesto inicialmente en 2016, Space Rider de la ESA proporcionará una nave de retorno a las familias Ariane y Vega. Habiendo completado recientemente las revisiones preliminares de diseño del sistema y subsistema, Space Rider avanza rápidamente hacia la Revisión Crítica de Diseño a fines de 2019.
Lanzado en un cohete Vega-C, Space Rider quiere servir como un laboratorio espacial de alta tecnología sin tripulación durante más de dos meses en órbita baja. Puede volver a entrar en la atmósfera de la Tierra, devolviendo su valiosa carga útil a los científicos en el lugar de aterrizaje. Después de una restauración mínima, quiere estar listo para su próxima misión con nuevas cargas útiles y una nueva misión.
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El sistema Space Rider es una adaptación tanto del escenario AVUM + de Vega-C como del Vehículo Experimental Intermedio (IXV) de la ESA que realizó una misión impecable en 2015.
El AVUM + de la etapa superior se ha mejorado con el kit de extensión de vida AVUM que quiere ser el módulo de servicio de Space Rider que proporciona potencia, control de actitud y capacidad de descenso para misiones que generalmente duran dos meses o más.
Space Rider se basa en IXV, que ahora cuenta con una bahía de carga multipropósito adicional, tren de aterrizaje y diseño mejorado para garantizar la reutilización para cinco vuelos adicionales. Para minimizar los costos, se utilizarán componentes comerciales disponibles siempre que sea posible, y se reutilizarán elementos costosos. Después de cada misión, el vehículo solo requiere una renovación mínima, lo que hace que este vehículo sea competitivo en el mercado.
Las nuevas características incluyen aviónica sofisticada para maniobrar en el espacio, salir de órbita y un viaje suave de regreso a la Tierra con un aterrizaje suave y preciso, interesantes características del primer vehículo de transporte espacial reutilizable de Europa.
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Los vehículos de lanzamiento europeos Ariane 5 y Vega operan actualmente desde el puerto espacial de Europa en la Guayana Francesa, el noreste de América del Sur, proporcionando a Europa un acceso continuo e independiente al espacio. Se están desarrollando nuevos vehículos de transporte espacial. Vega-C, que sustituye al cohete Vega, es capaz de transportar una amplia gama de portadores de carga útil y puede colocar una o varias cargas útiles.
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Ariane 6 es el vehículo de lanzamiento de próxima generación de Europa capaz de entregar cargas útiles de 21 toneladas en órbita terrestre baja. Ariane 6 tiene dos versiones, A62 y A64, que combinan fuerza y versatilidad para colocar uno o más satélites en cualquier órbita. Es el cohete más grande de Europa hasta ahora con más de 60 metros de altura.
Space Rider es un cuerpo de elevación reutilizable. Lanzado sin tripulación en Vega-C, puede permanecer en órbita terrestre baja durante más de dos meses, proporcionando una plataforma para una variedad de experimentos y demostraciones en microgravedad. Después de cada misión, puede regresar a la Tierra y aterrizar por sus propios medios.
Los cohetes son la columna vertebral de todos los esfuerzos europeos basados en el espacio. La ESA en asociación con la industria está desarrollando vehículos de transporte espacial de próxima generación, Ariane 6, Vega-C y Space Rider. En su programa Space19 +, la ESA tiene la intención de seguir desarrollando estos programas e introducir nuevas ideas de ayuda.
Fuente:
Fotonoticias de ESA, 5 junio 2019 y anteriores [14]
Nuevos instrumentos de ESO para observar Alfa Centauri A y B
Breakthrough Watch y el Observatorio Europeo Austral (proyecto NEAR) celebran la primera luz de un instrumento buscador de planetas mejorado para buscar planetas tipo Tierra en el sistema estelar más cercano, Alfa Centauri.
Construido para buscar planetas e instalado en el Very Large Telescope (Chile), observará, durante 100 horas, las estrellas cercanas Alfa Centauri A y B con el objetivo de ser el primero en observar, de forma directa, un exoplaneta.
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El instrumento, llamado NEAR (Near Earths in the AlphaCen Region, «Tierras cercanas en la región AlfaCen»), está diseñado para la búsqueda de exoplanetas en nuestro sistema estelar vecino, Alfa Centauri, dentro de las «zonas habitables» de sus dos estrellas similares al Sol, donde el agua podría existir potencialmente en forma líquida. Se ha desarrollado en los últimos tres años y fue construido en colaboración con la Universidad de Uppsala (Suecia), la Universidad de Lieja (Bélgica), el Instituto Tecnológico de California (EE.UU.) y el Kampf Telescope Optics de Múnich (Alemania).
Desde el 23 de mayo, astrónomos de ESO han utilizado el VLT (Very Large Telescope) de ESO para llevar a cabo una observación de diez días con el fin de establecer la presencia o ausencia de uno o más planetas en el sistema de la estrella. Las observaciones concluirán el 11 de junio de 2019. Los planetas del sistema (de dos veces el tamaño de la Tierra o más grandes), serían detectables con esta instrumentación mejorada. El rango entre el infrarrojo cercano y el infrarrojo térmico es importante ya que corresponde al calor emitido por un candidato a planeta y permite así a los astrónomos determinar si la temperatura del planeta permite la existencia de agua líquida.
Alfa Centauri es el sistema estelar más cercano a nuestro Sistema Solar, a 4,37 años-luz de distancia. Consiste en dos estrellas similares al Sol, Alfa Centauri A y B, más Próxima Centauri, una estrella enana roja. Actualmente sabemos poco de los sistemas planetarios de Alfa Centauri. En 2016, utilizando instrumentos de ESO, un equipo descubrió un planeta similar a la Tierra orbitando alrededor de Próxima Centauri. Pero Alfa Centauri A y B siguen siendo grandes desconocidas; no está clara la estabilidad de este tipo de sistemas de estrellas binarias para planetas como la Tierra, y la forma más prometedora de establecer si existen alrededor de estas estrellas cercanas es intentar observarlos.
Sin embargo, obtener imágenes de estos planetas es un desafío técnico importante, ya que la luz de las estrellas que se refleja en ellos generalmente es miles de millones de veces más débil que la luz que nos llega directamente de sus estrellas anfitrionas; resolver un pequeño planeta cerca de su estrella a una distancia de varios años-luz se ha comparado con poder localizar una polilla que vuela alrededor de una farola situada a decenas de kilómetros de distancia. Para resolver este problema, en 2016 Breakthrough Watch y ESO pusieron en marcha una colaboración para construir un instrumento especial, un coronógrafo en el infrarrojo térmico, diseñado para bloquear la mayoría de la luz proveniente de las estrellas y optimizado para captar, más que la pequeña cantidad de luz reflejada de la estrella, la luz infrarroja emitida por la superficie caliente de un planeta. Igual que los objetos cercanos al Sol pueden verse durante un eclipse total, el coronógrafo crea una especie de eclipse artificial de la estrella seleccionada, bloqueando su luz y permitiendo la detección de objetos cercanos mucho más débiles. Esto marca un importante avance en las capacidades de observación.
El coronógrafo se ha instalado en uno de los cuatro telescopios de 8 metros del VLT, actualizando y modificando un instrumento existente llamado VISIR, con el fin de optimizar su sensibilidad a longitudes de onda infrarrojas asociadas con exoplanetas potencialmente habitables. Por lo tanto, será capaz de buscar firmas de calor similares a las de la Tierra, que absorbe la energía del Sol y emite en el rango de longitud de onda del infrarrojo térmico. NEAR modifica al instrumento VISIR combinando varios logros de vanguardia en ingeniería astronómica, y lo hace en tres aspectos: en primer lugar, adapta el instrumento a la coronografía, lo que le permite reducir drásticamente la luz de la estrella objeto de estudio y revelar las firmas de potenciales planetas terrestres; en segundo lugar, utiliza una técnica llamada óptica adaptativa para deformar estratégicamente el espejo secundario del telescopio, compensando el desenfoque producido por la atmósfera terrestre; en tercer lugar, emplea novedosas estrategias de reducción de ruido y potencialmente permiten que el instrumento cambie rápidamente entre las estrellas estudiadas (cada 100 milisegundos) maximizando el tiempo de telescopio disponible.
NEAR es el primer y (por el momento) el único proyecto que podría obtener imágenes directas de un exoplaneta habitable, por lo que marca un hito importante.
Fuente:
Comunicado institucional de ESO, eso1911es, 10 de junio de 2019 [15]
Los saltos cuánticos no son instantáneos
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Un experimento ha captado un sistema cuántico en medio de un salto, algo que los creadores de la mecánica cuántica no creían posible.
Cuando se postuló la mecánica cuántica, hará un siglo, como teoría para entender el mundo a escala atómica, uno de sus conceptos clave era tan radical, tan audaz y tan contrario a la intuición que dio lugar a una expresión popular: «salto cuántico». Los puristas podrían objetar que la costumbre de aplicar estas palabras a un gran cambio no parece apropiado por lo pequeños que son de ordinario los saltos entre dos estados cuánticos, precisamente la razón de que no se cayese en la cuenta de su existencia antes. Pero lo que importa es que son súbitos. Tanto, que muchos de los pioneros de la mecánica cuántica supusieron que eran instantáneos.
Un nuevo experimento muestra que no lo son. En una especie de película a alta velocidad de un salto cuántico, ha revelado que el proceso es gradual. Según los autores del estudio, si podemos medir un salto cuántico deprisa y con suficiente eficiencia, vemos que se trata de un proceso en realidad continuo.
Con un sistema de seguimiento a alta velocidad se pudo divisar el momento en que un salto cuántico estaba a punto de producirse, «pillarlo» a medio camino e invertirlo para devolver el sistema al estado inicial. De esta forma, lo que a los pioneros les parecía una aleatoriedad inevitable en el mundo físico parece ahora susceptible de ser controlado.
La brusquedad de los saltos cuánticos era un pilar central de la forma en que la teoría cuántica fue formulada por Niels Bohr, Werner Heisenberg y otros a mediados de los años veinte, la interpretación de Copenhague, como ahora se suele llamar a esa manera de entenderla. Bohr ya había sostenido antes que los estados de energía de los electrones en los átomos estaban «cuantizados»: solo tenían disponibles ciertas energías; las intermedias estaban prohibidas. Propuso que los electrones cambiaban de energía al absorber o emitir partículas cuánticas de luz (los fotones) cuyas energías coincidían con la diferencia entre los estados permitidos a los electrones. Esto explicaba por qué los átomos y las moléculas absorben y emiten longitudes de onda de la luz muy características: por qué, digamos, muchas sales de cobre son azules y las lámparas de sodio, amarillas.
Bohr y Heisenberg empezaron a elaborar una teoría matemática de estos fenómenos cuánticos en los años veinte. La mecánica cuántica de Heisenberg enumeraba todos los estados cuánticos permitidos y aceptaba implícitamente que los saltos entre ellos eran instantáneos (discontinuos, como diría un matemático). La idea de unos saltos cuánticos instantáneos se convirtió en una noción fundacional de la interpretación de Copenhague.
Otro de los arquitectos de la mecánica cuántica, el físico austriaco Erwin Schrödinger, discrepaba de esa idea. Concibió lo que a primera vista parecía una alternativa a la matemática de Heisenberg y sus estados cuánticos discretos y sus saltos instantáneos entre ellos. La teoría de Schrödinger representaba las partículas cuánticas basándose en unos entes ondulatorios llamados funciones de onda, que solo cambiaban suave y continuamente, como se ondula el agua en mar abierto. Las cosas no conmutan de pronto en el mundo real entre estados distintos, sin que pase tiempo alguno, pensaba Schrödinger: los «saltos cuánticos» discontinuos son una mera fantasía, que solo existe en nuestra mente. En un artículo escrito en 1952, «¿Hay saltos cuánticos?», respondía esta pregunta con un «no» rotundo; su irritación era más que evidente cuando los llamó «espasmos cuánticos».
La discusión no se limitaba a la incomodidad de Schrödinger con el cambio súbito. El problema de los saltos cuánticos estribaba también en que se dijese que ocurrían en momentos distribuidos al azar, sin que hubiese nada que dijera por qué ocurrían en esos momentos concretos. Se trataba, pues, de un efecto sin causa, un ejemplo de aparente aleatoriedad inserto en el corazón de la naturaleza.
Schrödinger y su buen amigo Albert Einstein no aceptaban que la suerte y la impredecibilidad reinasen en el nivel más fundamental de la naturaleza. Según el físico alemán Max Born, la controversia entera no consistía «tanto en un asunto interno de la física como en el de su relación con la filosofía y el conocimiento humano en general». En otras palabras, es mucho lo que depende de la realidad (o no realidad) de los saltos cuánticos.
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Para ahondar más, hay que ver los saltos cuánticos uno a uno. En 1986, tres equipos informaban de su observación de los que se producían en átomos individuales suspendidos en el espacio por campos electromagnéticos. Los átomos iban y venían entre un estado «brillante», en el que podían emitir un fotón de luz, y uno «oscuro», que no emitía en momentos aleatorios, y permanecía en uno o en el otro durante períodos de entre unas décimas de segundo y varios segundos antes de saltar de nuevo. Desde entonces, se han visto esos saltos en varios sistemas: saltos de fotones que cambian de estado cuántico o saltos de átomos en materiales sólidos entre estados magnéticos cuantizados. En 2007, un equipo que trabajaba en Francia comunicaba la observación de saltos correspondientes a lo que llamaban «el nacimiento, la vida y la muerte de fotones individuales».
En estos experimentos, los saltos parecían, en efecto, bruscos y al azar: no había forma de decir, mientras se vigilaba el sistema cuántico, cuándo iban a ocurrir, ni de ofrecer un cuadro detallado de cómo eran. El dispositivo experimental del equipo de Yale, en cambio, les permitió anticipar cuándo venía un salto y ampliar la escena para examinarlo. La clave del experimento está en la capacidad de recoger casi toda la información disponible en él, sin que escape ninguna hacia el entorno antes de que se la mida. Solo entonces podían seguir saltos individuales con tanto detalle.
Los sistemas cuánticos que usaron eran mucho mayores que los átomos. Estaban formados por unos hilos de material superconductor a los que a veces se llama «átomos artificiales» porque tienen estados de energía discretos análogos a los estados de los electrones en los átomos de verdad. Se pueden provocar los saltos entre los estados de energía mediante la absorción o la emisión de un fotón, tal y como ocurre con los electrones en los átomos.
Devoret, investigador principal del equipo y sus colaboradores querían observar a un solo átomo artificial saltando entre su estado de menor energía (el que recibe el nombre del fundamental) y uno excitado energéticamente. Pero no podían seguir la transición de forma directa, ya que efectuar una medición de un sistema cuántico destruye la coherencia de la función de onda (su comportamiento ondulatorio suave), de la que depende el comportamiento cuántico. Para observar el salto cuántico tenían que preservar esa coherencia. Si no, hacían que la función de onda «colapsase», lo que situaba al átomo artificial en un estado o en el otro. Es el problema del que sirve de famoso ejemplo «el gato de Schrödinger», al que, dice la historieta, se pone en un estado cuántico de «superposición» de los estados de vida y de muerte pero que solo pasa a estar en uno o en el otro cuando es observado.
Para librarse de este problema, Devoret y sus colaboradores recurrieron a un inteligente truco, en el que desempeña un papel un segundo estado excitado. El sistema puede alcanzar ese segundo estado desde el fundamental absorbiendo un fotón con una energía diferente. Los investigadores sondearon el sistema de una forma que solo puede decirles si el sistema está en ese segundo estado «brillante», así llamado porque es el que se puede ver. El otro estado, para el que los observadores realmente buscan saltos cuánticos, hacia y desde él, es el estado «oscuro», ya que permanece oculto para una mirada directa.
Los investigadores colocaron el circuito superconductor en una cavidad óptica (una cámara en la que irán rebotando los fotones que tengan una longitud de onda apropiada), de modo que, si el sistema estaba en el estado brillante, cambiaba la forma en que la luz se dispersaba en la cavidad. Cada vez que el estado brillante decaía al emitir un fotón, el detector emitía una señal análoga al «clic» de un contador Geiger.
La clave aquí, es que la medición ofrece información sobre el estado del sistema sin interrogar al estado directamente. En efecto, pregunta si el sistema está en, o no está en, los estados fundamental y oscuro conjuntamente. Esta ambigüedad es crucial para mantener la coherencia cuántica durante un salto entre esos dos estados. En lo que a eso se refiere, el procedimiento del equipo de Yale guarda mucha relación con los empleados para la corrección de errores en los ordenadores cuánticos. En estos también hay que obtener información sobre los bits cuánticos sin destruir la coherencia en que se basa la computación cuántica. Una vez más, esto se hace sin mirar directamente el bit cuántico en cuestión, sino sondeando un estado auxiliar acoplado con él.
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La medición cuántica no es de la perturbación cuántica inducida por la sonda, sino de lo que se sabe (y lo que se deja sin saber) como resultado. La ausencia de un suceso puede dar tanta información como su presencia, según los autores. Lo comparan con la historia de Sherlock Holmes en la que infiere una pista vital a partir del «curioso incidente» en el que un perro no hace algo por la noche. Tomando prestado de otra historia de Holmes que también tiene que ver con un perro (pero con la que a menudo se confunde la otra), los autores lo llaman «el sabueso de los Baskerville conoce al gato de Schrödinger».
El equipo de Yale observó una serie de clics del detector, cada uno de los cuales significaba que había decaído un estado brillante; normalmente, había uno cada pocos microsegundos. Esta cadena de clics se interrumpía aproximadamente cada pocos cientos de microsegundos, parecía que al azar y entonces había un momento sin clics. Tras un período que solía ser de cien microsegundos, más o menos, los clics se reanudaban. En ese lapso silencioso, el sistema sufría presumiblemente una transición al estado oscuro, lo que impedía los saltos entre el estado fundamental y el brillante.
Así que es ahí, en esas conmutaciones entre los estados de «clic» a los de «no clic», donde están los saltos cuánticos individuales, como los vistos en los experimentos anteriores con átomos atrapados y otros semejantes. No obstante, en este caso Devoret y sus colaboradores pudieron ver algo nuevo.
Antes de cada salto hacia el estado oscuro había de ordinario un corto plazo en el que parecía que se suspendían los clics: una pausa que actuaba como anuncio del salto inminente. En cuanto la longitud de un período sin clics superaba significativamente el tiempo típico entre dos clics, se tenía un aviso bastante bueno de que estaba a punto de ocurrir un salto.
Ese aviso permitía a los investigadores estudiar el salto con mayor detalle. Cuando veían esa breve pausa, interrumpían el flujo de los fotones que impulsaban las transiciones. Sorprendentemente, la transición hacia el estado oscuro seguía ocurriendo aunque los fotones no la impulsasen: es como si, en el momento en que empieza la breve pausa, el destino estuviese ya fijado. Aunque el salto mismo ocurre en momentos aleatorios, hay también algo determinista, pues, en su acercamiento.
Cuando dejaban de entrar fotones, los investigadores ampliaban los detalles del salto gracias a una resolución temporal más fina, para ver cómo se desarrollaba. ¿Ocurre instantáneamente, es decir, son los saltos cuánticos súbitos de Bohr y Heisenberg? ¿O pasa suavemente, como Schrödinger insistía que debía ser? Y si es así, ¿cómo?
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El equipo determinó que los saltos son graduales, porque, pese a que una observación directa solo podría descubrir al sistema en un estado o en el otro, durante el salto cuántico el sistema se encuentra en una superposición de esos dos estados finales. A medida que progresa el salto, una medición directa iría arrojando con probabilidad creciente el estado final en vez del inicial. Es un poco como la forma en que nuestras decisiones evolucionan con el tiempo. Solo se puede permanecer en una fiesta o irse de ella (es una decisión binaria), pero a medida que pasa la noche y aumenta el cansancio es cada vez más probable que a la pregunta «¿te vas o te quedas?» se responda «me voy».
Las técnicas elaboradas por el equipo de Yale revelan la disposición cambiante de un sistema durante un salto cuántico. Gracias al método conocido como reconstrucción tomográfica, pudieron hallar el peso relativo que los estados oscuro y brillante tienen en la superposición. Vieron que esos pesos cambian gradualmente a lo largo de un período de unos microsegundos. Es bastante rápido pero, ciertamente, no es instantáneo.
Más aún, el sistema electrónico es tan rápido que los investigadores pudieron «pillar» la conmutación entre los dos estados mientras sucedía e invertirla mediante el envío de un pulso de fotones dentro de la cavidad para fomentar la vuelta del sistema al estado oscuro.
El experimento muestra que los saltos cuánticos no son, en efecto, instantáneos si miramos suficientemente de cerca, si bien son procesos coherentes: sucesos físicos reales que se desenvuelven en el tiempo.
Que el «salto» sea gradual es justo lo que predice una forma de teoría cuántica, la teoría de las trayectorias cuánticas, que puede describir sucesos individuales como ese. Así, la teoría concuerda perfectamente con lo que se observa, pero se trata de una teoría sutil, y todavía no se comprende bien.
La posibilidad de predecir los saltos cuánticos justo antes de que ocurran, dice Devoret, los asemeja en cierta forma a las erupciones volcánicas. Cada erupción ocurre impredeciblemente, pero algunas grandes se pueden anticipar observando un período infrecuentemente tranquilo que las precede. Esa señal precursora de un salto cuántico no había sido propuesta o medida antes.
Los autores dicen que la capacidad de captar precursores de los saltos cuánticos podría tener aplicaciones en las tecnologías sensoras cuánticas. Por ejemplo, en las mediciones con relojes atómicos se quiere sincronizar el reloj con la frecuencia de transición de un átomo que sirve de referencia. Pero si se puede detectar justo al principio si la transición está a punto de ocurrir en vez de tener que esperar a que se complete, la sincronización podría ser más rápida y, por lo tanto, más precisa a largo plazo.
También creen que el trabajo podría encontrar aplicaciones en la corrección de errores en computación cuántica, si bien parece estar todavía muy lejos. Para conseguir el nivel de control que se requiere para vérselas con esos errores, sin embargo, hará falta ese tipo de cosecha exhaustiva de datos de mediciones, como la toma intensiva de datos de la física de partículas.
Pero el verdadero valor del resultado no reside en ningún beneficio práctico, sino en lo que nos enseña sobre el funcionamiento del mundo cuántico. Sí, está acribillado por la aleatoriedad, pero no, no está marcado por espasmos súbitos. Schrödinger, muy apropiadamente, tenía razón y no la tenía a la vez.
Artículo original en Quanta Magacine, 5 junio 2019 [17]
Artículo en Nature, 3 junio 2019 [18]
Este artículo ha sido escrito por Juan Antonio Bernedo. [19]