El Café Cuántico 3x08: Emergencia planetaria

Ya iba siendo hora de que terminase de poner en el blog los programas de la tercera temporada de El Café Cuántico, que presenté el año pasado junto a Elena Denia y Antonio Sánchez. Especialmente tras conocer la noticia de que nuestro 6º episodio ganó el Prisma de Bronce al mejor programa en radio emitido en 2016. Los premios Prismas son una iniciativa de los Museos Científicos Coruñeses (Ayuntamiento de A Coruña) que pretende potenciar la difusión de la cultura científica en España y apoyar a todos los profesionales que trabajan en este campo, y la ceremonia de entrega tendrá lugar el próximo sábado 18 de noviembre en el salón de plenos de dicho ayuntamiento.

Sin más dilación doy paso al programa que emitimos el 10 de marzo de 2016, que puede escucharse aquí:

Ese día conté (en el minuto 2:44) que faltaban pocos días para que se iniciaran perforaciones dedicadas a estudiar el cráter del impacto que acabó con tantas especies de dinosaurios hace 66 millones de años. Por supuesto, la perforación ya se llevó a cabo hace más de un año, con resultados prometedores. Antonio dio la noticia (4:01) de que se habían sintetizado por primera vez cristales de monóxido de kriptón, y en Cienciadicción (6:33) Elena nos habló de la novela gráfica Cosmicómic, que narra la historia del descubrimiento de cómo se originó el Universo usando como punto de partida el trabajo de Arno Penzias y Robert Wilson. Por mi parte, en la sección Bajo el microscopio (13:04) respondí a la pregunta que mucha gente lleva tiempo haciéndose: "¿A qué huelen las nubes?".

En La llamada experta (18:00) tenemos al doctor en física y filosofía Martín López Corredoira, quien nos ha ofrecido su visión sobre la actual era científica, y terminamos el programa con una tertulia en pos de la sostenibilidad desde el ámbito científico y educacional (34:50). Para ello hemos contado con Amparo Vilches, profesora titular del Departamento de Didáctica de las Ciencias Experimentales y Sociales de la Universitat de València. Aquí quiero aprovechar, antes de que alguien lo malinterprete, para recalcar que Vilches usa varias veces la palabra «holístico» en su significado original, relativo a analizar un sistema teniendo en cuenta todas las partes en su conjunto y no por separado.

Y a continuación, como era usual, se encuentra la transcripción de mis dos secciones en el programa para quien prefiera la versión escrita, y con enlaces extra para ampliar información sobre sus contenidos.

Noticia de actualidad:

A finales de este mes, una plataforma oceánica empezará a perforar en el golfo de México para llegar al cráter de Chicxulub, la huella del impacto que mató a tantos dinosaurios hace 66 millones de años.

El borde del cráter, que ahora ya está enterrado, tiene unos 180 km de diámetro, pero además tiene un anillo extra situado a medio camino entre este borde y el centro, que se espera que ocurra en impactos tan grandes. Sin embargo, en otros impactos así en la Tierra ya se ha erosionado, y el resto de ejemplos conocidos se encuentran fuera de nuestro planeta, así que obtener muestras de esta estructura en Chicxulub permitirá comprobar si nuestros modelos de cómo se forma son acertados.

Ya elegido el sitio donde mejor perforar, el taladro excavará primero hasta una profundidad de 500 metros en la caliza, y a partir de ahí se irán extrayendo muestras de los siguientes 1000 metros durante dos meses. De estas muestras se analizarán los minerales de la estructura y los depósitos de material expulsado por el impacto, y se buscarán microfósiles que pudieran contar la historia de cómo se recuperó la vida marina tras este cataclismo. En esta estructura en forma de anillo, además, se espera que las rocas estén fracturadas y rellenas de minerales debido a flujos hidrotermales. Aquí se analizarán muestras de ADN para ver los microbios que pudieran vivir a esa profundidad actualmente.

Es una investigación interesantísima, ¡y estaremos al tanto de los detalles!

[En el artículo de Wikipedia en inglés sobre el cráter hay un resumen de los resultados obtenidos en esta investigación desde entonces.]

Bajo el microscopio:

Hoy seguimos dando respuestas a los oyentes. Istel, desde Madrid, nos pregunta: "¿a qué huelen las nubes?". Y especifica que va en serio, que es una duda que tiene desde hace tiempo, y quiere una explicación científica al respecto.

Pero las nubes no huelen a nada, ¿no? Las nubes son agua…

En efecto, las nubes que solemos ver en el cielo están compuestas de muchísimas gotitas de agua líquida suspendidas en el aire —no son vapor, puesto que el vapor de agua es invisible—, y el agua, como sabréis, es insípida e inodora. Entonces, al inhalar parte de una nube entrará agua en las fosas nasales y notaremos la humedad, pero nosotros olemos las sustancias cuando sus partículas se disuelven en la mucosidad que rodea a las células detectoras, porque así llegan a las dendritas de estas neuronas. Si a la mucosidad le llega agua, pues notaremos más agua, pero no habrá sustancias nuevas que detectar. Y para probar a inhalar parte de una nube puede hacerse simplemente respirando hondo un día de mucha niebla, puesto que las nubes están hechas de lo mismo. Una forma alternativa es lo que me pasó el año pasado viendo un eclipse de Luna en el Teide, que llegó un momento en el que la altura de las nubes subió y llegó a nosotros, y nos vimos justo en el sitio por donde las nubes cruzaban de un lado a otro de la montaña. Pasamos mucho frío con la humedad, pero no se olió nada.

¿Entonces… ya está? ¿Damos por respondida la pregunta?

No tan rápido, Antonio. Porque hay ciertos casos en los que sí pueden olerse cosas. Por ejemplo, no sé si habrán notado alguna vez que cuando una tormenta se aproxima, el ambiente tiene un olor algo característico, un poco acre. Este olor se debe al ozono que se produce en las descargas eléctricas de los rayos, o incluso sólo con los enormes voltajes que hay en la nube, que disocian las moléculas de oxígeno en dos átomos sueltos inestables, que luego se combinan con otras moléculas de O2. Las nubes de tormenta eléctrica, que son más peligrosas de oler que las tranquilas, huelen algo a ozono. Es el olor "a lluvia" antes de que ésta haya llegado.

Vaya… ¿y hay algún otro tipo de nube que huela?

Pues… unas nubes que seguro que todos estarán de acuerdo en que tendrán olor son los pirocúmulos. El prefijo "piro-" significa "fuego", y este nombre se le da a nubes asociadas con grandes incendios y erupciones volcánicas. Cuando éstos tienen lugar, gran cantidad de aire caliente con humo y cenizas se eleva hasta llegar a alturas donde el agua empezaría a condensarse, y si hay suficiente humedad, las partículas de humo y ceniza actúan como núcleos de condensación de estas gotas que formarán parte de la nube. Estas nubes, por supuesto, olerán a humo y ceniza, así como a otros gases que provengan del fuego o la erupción. Pero no recomiendo intentar olerlas de cerca, claro.

Pues sí que ha dado de sí el tema al final, sí.

Y podríamos seguir… La Tierra, después de todo, no es el único cuerpo del sistema solar que tiene una atmósfera con nubes. En Venus, que tiene una atmósfera de dióxido de carbono, las nubes son de ácido sulfúrico y dióxido de azufre, con lo que tendrían un olor acre y a podrido. En Marte la atmósfera también es de dióxido de carbono, pero allí las nubes son de hielo de agua, y no olerían excepto por el polvo atmosférico que puedan contener, con olor a óxidos y sales. En Júpiter, un gigante gaseoso, unas nubes huelen a amoniaco; otras, de sulfuro de hidrógeno, huelen a huevos podridos; y algunas olerán a almendras amargas por su contenido en cianuro. Saturno tiene nubes que también olerán a amoniaco y azufre, pero además una de sus lunas, Titán, tiene una atmósfera de nitrógeno con nubes de compuestos de carbono que huelen un poco a… gasolina. Y por último, quedan las atmósferas de Urano y Neptuno, que al estar compuestas de hidrógeno, helio y metano apenas huelen a nada, pero también pueden tener nubes de amoniaco y de sulfuro de hidrógeno, con sus olores correspondientes.

De modo que ya saben: la próxima vez que alguien les pregunte "¿a qué huelen las nubes?", pregúntenles a qué tipo de nube se refiere, y de dónde. Que el tema da para mucho.

Planet Nine y los sesgos observacionales

Representación artística del hipotético noveno planeta orbitando al Sol en la lejanía. Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Hace año y medio se publicó un artículo en el que los astrofísicos Konstantin Batygin y Mike Brown proponían la existencia de un nuevo planeta en nuestro sistema solar que explicaría las peculiares órbitas de seis objetos lejanos situados más allá de Neptuno (objetos transneptunianos, o TNOs). Estos seis cuerpos orbitan a una distancia promedio de más de 250 unidades astronómicas (UA) del Sol, nunca se acercan a éste a menos de 35 UA (siempre están más lejos que Neptuno), y los puntos de sus trayectorias donde lo hacen (es decir, sus perihelios) están agrupados en la misma región del espacio. Este último detalle, junto a que las órbitas parecen compartir un mismo plano con una ligera inclinación respecto al de los ocho planetas conocidos (la eclíptica), es lo que apuntaba a la existencia de ese nuevo planeta. A lo largo de miles de millones de años, su gravedad habría ido pastoreando y expulsando objetos en las regiones exteriores del sistema solar hasta dejar mayoritariamente los que tenían órbitas con esas orientaciones. Estos días, sin embargo, circula con algo de revuelo la noticia de que nuevas observaciones habrían dado al traste con esta hipótesis, al mostrar que la agrupación de los perihelios de esos TNOs lejanos es ficticia y debida principalmente a sesgos observacionales. ¿Pero es esto cierto?

Empecemos por el principio. Daniel Marín describió en detalle en su momento el anuncio inicial, pero voy a intentar resumirlo aquí. Como digo arriba, estos objetos con órbitas tan excéntricas nunca llegan a estar tan cerca del Sol como para cruzar las órbitas de los planetas gigantes. Esto significa que sus trayectorias actuales no pueden ser debidas únicamente a la interacción gravitatoria de los gigantes gaseosos expulsándolos hacia los confines del sistema solar, sino que deben haber sido modificadas por algún cuerpo masivo en esas regiones, a lo largo de la evolución del sistema o en un pasado remoto. Además, sus perihelios se sitúan más o menos en la misma región del espacio, cubriendo un ángulo de unos 100 grados, de modo que sus órbitas apuntan hacia un mismo lado del cielo. Puede verse su distribución en la siguiente imagen:

Órbitas del noveno planeta (naranja) y de los seis objetos que llevaron a proponer su existencia (violeta). Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC)

Como comenté, los planos de las órbitas también están bastante alineados entre sí y además todos tienen el perihelio cerca de la eclíptica. No sólo eso, sino que en su punto más cercano todos cruzan la eclíptica de sur a norte, mientras que si sus inclinaciones orbitales fueran más o menos aleatorias se esperaría el mismo número de objetos cruzando de norte a sur. Una agrupación de órbitas así quedaría deshecha por la gravedad de los otros planetas en un período de entre 10 y 100 millones de años si no hay ningún objeto masivo que las "pastoree" en esas posiciones, así que Batygin y Brown añadieron un planeta extra en simulaciones en las que probaron con distintas masas y parámetros orbitales para ver si podían reproducir el alineamiento. La configuración que más se ajustaba a los datos resultó ser un cuerpo de unas 10 veces (o más) la masa de la Tierra, con una órbita excéntrica orientada hacia el lado del sistema solar opuesto a la agrupación de TNOs lejanos. Este resultado sorprendió a los investigadores, ya que ellos pensaban que, para que el conjunto fuera estable, la órbita del planeta estaría alineada con las del resto de objetos y rodeándolas en vez de cruzarse con ellas. Sin embargo, la relación entre los períodos orbitales de los seis TNOs y el nuevo planeta, que han dado en llamar Planet Nine, (posiblemente para afianzar la idea de que Plutón ya no lo es, debido a la relación de Mike Brown con ese tema) sería tal que nunca se encuentran en la misma región del espacio al mismo tiempo, evitando que Planet Nine los disperse. Una resonancia orbital de este tipo se da entre Neptuno y Plutón, con el primero dando tres vueltas al Sol en el tiempo que tarda el segundo en dar dos. La configuración de todos estos objetos se ve mejor en tres dimensiones, y puede contemplarse en la siguiente animación:

Hay un detalle importante hacia el final de ese vídeo. En las simulaciones por ordenador, además de los objetos transneptunianos alineados que se esperaba obtener, la presencia del noveno planeta hacía aparecer otros con trayectorias perpendiculares al plano de la eclíptica. Batygin se lo comentó a Brown extrañado de ese resultado, así que éste se puso a buscar y contempló con sorpresa que, efectivamente, en los últimos años se habían detectado varios cuerpos así. En el vídeo se muestran en azul las órbitas de los cinco objetos conocidos de este tipo, que supusieron el cambio entre considerar a Planet Nine como simplemente una idea ad hoc para explicar datos que se podrían estar sobreinterpretando (eran sólo seis cuerpos, después de todo) a convertirse en una hipótesis viable que predecía efectos observables no considerados en un principio.

Los resultados y predicciones continuaron. Unos meses tras el primero, Brown y Batygin publicaban otro artículo en el que refinaban los cálculos de cara a estimar en qué parte del cielo habría que buscar este planeta, y que además predecía la presencia de objetos transneptunianos aún no detectados que estarían alineados con Planet Nine, en el lado contrario a la agrupación de los otros seis. A finales de 2016 se publicaron dos artículos, uno en el que participaron Brown y Batygin y otro de un equipo independiente, en los que se mostraba que la inclinación del Sol respecto a la eclíptica, un misterio desde hacía tiempo, podría ser también explicada por el noveno planeta. Parecía que esta hipótesis valdría para explicar de un plumazo no sólo la agrupación de TNOs lejanos sino también varios otros misterios del sistema solar, lo cual eran buenas noticias.

Pero en ciencia siempre hay que ir con cuidado por si se nos ha pasado algo, especialmente si todo un razonamiento parece sólido pero sus premisas son algo frágiles. Y es que hay un problema con los objetos transneptunianos que dieron lugar a la idea, y es la razón de que escriba esta entrada: dadas las enormes distancias a las que se alejan en su trayecto en torno al Sol, sólo podemos detectar cuerpos de este tipo cuando se encuentran cerca del perihelio, recibiendo iluminación suficiente y moviéndose a la velocidad necesaria para distinguirlos de otros puntos de luz en el cielo. Entonces, si las campañas de observación y catalogado de estos objetos (surveys, en inglés) se centran más en unas regiones del cielo que en otras, podrían detectarse más objetos con órbitas apuntando en direcciones determinadas aunque su distribución sea uniforme. Esto es lo que se conoce como un sesgo observacional.

Por eso, aunque esos seis TNOs lejanos fueron descubiertos en surveys distintos y con diferentes telescopios en varias partes del mundo, la predicción más importante del modelo era que al seguir haciendo nuevas observaciones, estos cuerpos con perihelios a más de 35 UA y órbitas con distancia promedio al sol (o semieje mayor) superior a 250 UA seguirían encontrándose predominantemente en las agrupaciones predichas. Si futuros descubrimientos de este tipo de objetos mostraban que sus órbitas se repartían en todas las orientaciones, la hipótesis de un noveno planeta con las características descritas por el modelo de Planet Nine quedaría rechazada.

El pasado mes de mayo, Mike Brown contó en el blog que mantienen sobre este asunto cómo iban ajustándose las predicciones a nuevos datos. Cuatro nuevos cuerpos habían sido detectados desde el anuncio inicial, tres de ellos por el equipo de Scott Sheppard y Chad Trujillo y otro por el Outer Solar System Origins Survey (OSSOS), casi duplicando la cifra de objetos en la muestra. Y las órbitas de tres de los nuevos TNOs estaban alineadas y agrupadas con las otras seis. El restante pasaría a ser el primer objeto detectado en la orientación opuesta, alineado con el hipotético Planet Nine, tal y como predecía el segundo artículo de Brown y Batygin. Así quedó la distribución de las órbitas entonces:

Órbitas de los diez TNOs lejanos conocidos a principios de año y del hipotético Planet Nine. Crédito: Fauxtoez (CC BY-SA 4.0)

Este éxito, no obstante, no excluye la posibilidad de que todo se deba a sesgos observacionales, ya que hay fenómenos que afectarían a todas las observaciones aunque se hagan de forma distinta. Por ejemplo, en las regiones de la eclíptica que atraviesan la Vía Láctea, la cantidad de estrellas de fondo es tan enorme que resulta muy difícil distinguir los tenues puntos de luz correspondientes a objetos transneptunianos en esa zona. Además, en ciertas épocas del año hay peores condiciones meteorológicas en los observatorios, de modo que en las constelaciones visibles de noche esos meses la búsqueda no puede ser tan intensiva. Y lo que es peor, resulta difícil cuantificar el impacto de estos efectos en los distintos surveys porque muchos no han detallado qué zonas del cielo se fotografiaron, con qué eficiencia de detecciones, ni el brillo mínimo que lograban detectar en cada observación.

El pasado mayo, Brown tuvo una idea para estimar estos sesgos y escribió un artículo que fue aceptado la semana pasada en The Astronomical Journal. Su método consiste en asumir que, cuando se descubre un TNO cercano de un cierto brillo, también se podía haber detectado en esa imagen un objeto que estuviera más lejos pero brillase lo mismo o más por ser más grande y/o reflectante que el cercano. Para cada uno de los 10 TNOs con semieje mayor de más de 230 UA, generó una distribución de órbitas con los mismos parámetros pero repartidas uniformemente en los 360 grados de la eclíptica. A continuación, para cada descubrimiento registrado de un TNO se comprobaría si el lejano habría aparecido con el brillo suficiente a menos de un grado de distancia en el cielo. No obstante, un objeto que orbita muy lejos del Sol se mueve muy lento y por tanto para descubrirlo hacen falta dos o más imágenes lo suficientemente separadas en el tiempo como para verlo desplazarse. Así que, como muchos TNOs se descubrieron en búsquedas diseñadas para objetos más cercanos, en el cálculo sólo incluye los que se descubrieron a más de 30 UA (y por tanto en observaciones capaces de ello), y también asume que ningún survey habría detectado un TNO lejano a más de 90 UA. Como hay objetos en resonancia orbital con Neptuno que podrían introducir un sesgo en los cálculos, excluye todos los cuerpos con semieje mayor inferior a 40 UA. Y además, evita que las regiones del cielo cercanas a la eclíptica (con mayor abundancia de TNOs) tengan un peso mayor que las zonas más al norte o sur introduciendo una corrección para compensar este efecto. Tras todo esto, las observaciones de 1248 objetos actúan como un inmenso survey combinado del que ahora conocemos la probabilidad de descubrir cada uno de los 10 TNOs lejanos en cada región del cielo. Y según estos cálculos, la probabilidad de observar un conjunto de objetos lejanos con las órbitas distribuidas uniformemente pero encontrar únicamente cuerpos con los perihelios tan agrupados en el espacio es sólo del 1.2%.

Sin embargo, estos días fue mucho más mediático un artículo sobre el survey OSSOS, aceptado por su revista también la semana pasada, que afirmaba no ver tal agrupación de órbitas en los TNOs lejanos y achacaba a sesgos observacionales las agrupaciones que llevaron a proponer el noveno planeta. Como OSSOS detectó en total más de 800 nuevos TNOs, con cuatro de ellos en el tipo de órbita extrema que nos interesa, su metodología consiste en usar su muestra de objetos a modo de "experimento independiente", para ver si podían reproducir los resultados. A diferencia de otros, OSSOS es un survey que sí tiene bien caracterizadas las regiones observadas y la sensibilidad y eficiencia obtenidas en cada una de ellas, de modo que sus sesgos observacionales están bien tenidos en cuenta. Al añadir los cuatro TNOs lejanos de este survey a la muestra de objetos, la distribución de sus órbitas queda así, con los nuevos en color naranja:

Posiciones del noveno planeta y los 13 objetos transneptunianos extremos conocidos. Crédito: Tomruen (CC BY-SA 4.0)

En la imagen puede verse que dos de los nuevos cuerpos tienen órbitas dentro del grupo esperado (de hecho uno de ellos ya estaba contado entre los 10 anteriores y no es tan novedoso), otro está alineado en dirección opuesta (algo también esperado con Planet Nine presente), mientras que la órbita del restante tiene una orientación casi perpendicular a las otras tres. Pero resulta que los sesgos de OSSOS hacen mucho más probable que descubran objetos en la agrupación principal y la opuesta, de modo que afirman que si todos los TNOs lejanos estuviesen distribuidos uniformemente, también habrían detectado más objetos con órbitas en las direcciones predichas por el modelo. De hecho destacan que aun con poca sensibilidad a órbitas con otras orientaciones descubrieron un objeto con el perihelio a 90 grados de lo esperado, y señalan esto como otro indicio de que la distribución subyacente es uniforme.

Desde OSSOS afirman que los sesgos que sufren son más o menos universales (la presencia de la Vía Láctea, peores condiciones en ciertas épocas del año, etc.), y que debido a esto las detecciones realizadas con el resto de surveys estarían sesgadas de forma parecida. Sin embargo, los sesgos estudiados en este artículo son únicamente los del propio OSSOS, y extrapolarlos a todos los demás es algo menos riguroso que el método de Brown explicado más arriba. La opinión de Mike Brown es que los resultados de OSSOS son bastante neutrales en cuanto a la existencia de Planet Nine, y tras leer ambos artículos esta semana le daría la razón. Después de todo, tres de los cuatro objetos que descubren concuerdan con las predicciones del modelo (y éste no dice que esté prohibido que haya alguno a 90 grados de la agrupación, sino que serán menos probables [Actualización relevante al final de esta entrada]), pero por otro lado sus sesgos harían que se descubriesen más cuerpos así de todas formas. Además, al iniciarse mucho antes de proponerse Planet Nine, OSSOS no está diseñado para estudiar la agrupación de los perihelios de objetos lejanos (debido precisamente a esos sesgos).

¿Entonces existe o no Planet Nine? Sólo el tiempo lo dirá. En caso afirmativo, la prueba definitiva será detectarlo directamente con telescopios, y las observaciones para ello hace meses que comenzaron. Mientras tanto, el modelo todavía presenta algunos problemas que habrá que solucionar, además su origen no está claro, vendría bien detectar más cuerpos del tipo que orbitan en planos perpendiculares a la eclíptica, etcétera. Habrá que seguir explorando.

Si después de toda esta entrada el tema de Planet Nine te ha despertado más curiosidad, durante la preparación de este post he visto que el artículo de Wikipedia en inglés está muy completo y detallado. En el blog The Search for Planet Nine, que actualizan los propios Brown y Batygin (en inglés), puede leerse más sobre el proceso que llevó a desarrollar la hipótesis, las dudas que hay al respecto, cuáles son las pruebas que les hacen pensar que el planeta podría ser real, y aprender sobre cómo funciona en general la ciencia. Y si prefieres vídeo (también en inglés), Mike Brown subió a YouTube la clase sobre Planet Nine del curso gratuito que imparte en Coursera sobre la ciencia del sistema solar (que también recomiendo).

Actualización 3/7/17: Konstantin Batygin ha escrito un post en el que muestra que el período orbital del único de los 13 TNOs que no cuadraría con el modelo lo sitúa precisamente en una resonancia orbital con Planet Nine que modificaría la orientación de su órbita haciendo que cambie de orientación con el tiempo, recorriendo los 360 grados. La órbita de un objeto con precisamente esa distancia promedio al Sol podría entonces tener el perihelio en cualquier orientación de la eclíptica. Puede que se trate simplemente de una casualidad, pero resulta relevante mencionarlo.

Mi divulgación en 2016

Aunque pueda parecerlo mirando sólo este blog, el año pasado hice un poco más de divulgación aparte de presentar el programa El Café Cuántico (¡cuya cuarta temporada ya ha comenzado, por cierto!). No obstante, con la escritura de la tesis cada vez ocupándome más tiempo, no me fue posible hablar de ellas aquí. Antes de reanudar los posts con las transcripciones de mis secciones en la tercera temporada del programa, quería hacer referencia en el blog a este par de cosas de 2016.

En primer lugar, el 10 de febrero se publicó en la página web Eleven-ThirtyEight (que recomiendo mucho seguir si eres fan de Star Wars) un post que escribí al estilo de Sergio L. Palacios sobre física en la ciencia ficción. El tema surgió porque un par de semanas antes apareció en la serie Star Wars Rebels un mundo llamado Concord Dawn que presentaba el aspecto de la siguiente imagen y, al conocerme en Twitter, el dueño me pidió escribir sobre si tal cosa sería posible:

Dado que la respuesta requería conocimientos de geología planetaria superiores a los míos, invoqué la ayuda de Nahúm Méndez Chazarra para reflexionar sobre el asunto (¡gracias, Nahúm!). El resultado fue un artículo en inglés cuyo título en español se traduciría como Las Cicatrices de Concord Dawn. Es posible que un día saque tiempo para poner en este blog una versión en castellano, pero de momento el texto puede leerse en el siguiente enlace:

The Scars of Concord Dawn

A Physicist Overthinks Star Wars Rebels

Quiso además la casualidad que el siguiente episodio de Rebels mostrase unos cuantos detalles mucho más dados al análisis astrofísico y más cercanos a mi especialidad, así que tengo desde entonces en mente escribir una nueva entrada similar a la anterior, que parece que tuvo buena acogida. Como siempre, todo depende del tiempo del que disponga en el futuro, claro…

Lo siguiente que quería contar es que a principios de 2015, Rubén Lijó contactó con Naukas para pedir la colaboración, junto a Hablando de Ciencia y la Sociedad para el Avance del Pensamiento Crítico, en un proyecto de Vector Producciones llamado El Universo en 1 Minuto. El proyecto consistía en una serie de vídeos que explicasen conceptos científicos de forma muy breve, que irían acompañados de una ficha didáctica cada uno para poder ser usados en educación. La ayuda que Rubén solicitaba a los divulgadores científicos era un texto de unas 500 palabras para cada uno de los temas que propuso, que posteriormente serían guionizados para el contenido audiovisual. El tema que elegí yo fue la formación de las primeras galaxias, y el 9 de marzo de 2016 se publicó el resultado:

Todos los vídeos de la serie pueden verse en esta lista de reproducción. El texto completo que envié en su momento, en el que traté de proporcionar información extra y contexto para que el resumen de sólo un minuto fuera riguroso, puede leerse a continuación:

Tras formarse toda la materia y acabar en forma de átomos, ésta se distribuía de forma muy homogénea por el Universo, pero no completamente (como podemos ver en la imagen que tenemos de aquellos tiempos: el fondo cósmico de microondas). La variabilidad a escala cuántica en épocas muy tempranas había sido amplificada durante la Inflación hasta provocar que unas regiones tuviesen mayor densidad que otras. No mucho, sólo una diezmilésima parte más o menos densas que el promedio, pero suficiente para salirse de una situación de equilibrio. Conforme el espacio se iba expandiendo, la atracción gravitatoria sobre la materia provocó que los lugares que contenían más masa fuesen cayendo sobre sí mismos y atrayendo masa de los alrededores, mientras que los menos densos iban quedándose cada vez más vacíos.

La primera componente en sufrir este efecto fue la materia oscura, de la que no sabemos de qué está formada pero sí que comprende la mayor parte de la masa del universo, que no absorbe ni emite luz, y que no se comporta como un gas normal: no tiene que vencer prácticamente ninguna presión interna para colapsar por su propia gravedad. De este modo, las diferencias de densidad en la distribución de materia oscura, que iban en aumento, fueron formando un esqueleto tridimensional hacia el que luego iría cayendo la materia normal, cuando su temperatura disminuyó lo suficiente como para poder contraerse así.

Las mayores acumulaciones de masa se encontraban en los vértices de esta red cuya materia, tanto oscura como ordinaria, empezó a formar grumos que darían lugar a lo que ahora conocemos como galaxias. En el gas que colapsaba sobre sí mismo en estos grumos, en muchas ocasiones la dirección predominante en la que la nube rotaba se veía amplificada en la contracción a la vez que el gas que rotaba en otros ángulos era frenado por rozamientos, para dar lugar a estructuras en forma de disco y espirales (algo que no le pasaba a la materia oscura, que quedaría formando halos esferoidales de mayor tamaño con las galaxias en el centro). Pero en otros casos, varios de estos grumos colisionaban entre sí dando una estructura más aleatoria y esférica como resultado (futuras galaxias elípticas).

El gas, hecho de materia ordinaria y en su mayor parte hidrógeno y helio, se enfrió lo suficiente en muchos de estos grumos como para formar objetos compactos en sus regiones centrales: estrellas, planetas e incluso agujeros negros. Pero no todo fue a dar lugar a estos cuerpos. Las colisiones de estos grumos y galaxias en las acumulaciones y agrupaciones que originarían los cúmulos galácticos calentarían parte del gas dificultando su compresión, las estrellas aportarían energía al mismo mediante radiación y vientos, las más masivas de éstas estallarían como supernovas mandando gas a mucha velocidad de vuelta al espacio entre galaxias, y en el centro de las mismas habitan objetos que también tendrán su impacto. Aún no sabemos muy bien cómo ni en qué orden, pero prácticamente cada galaxia se formó con un agujero negro central que puede llegar a tener millones de veces la masa de nuestro Sol, a base de alimentarse de gas a sus alrededores. El proceso con el que estos agujeros negros se tragan el gas no es muy eficiente, no obstante, y hace que se conviertan en núcleos activos de galaxias, que expulsan mucho material caliente al exterior. Todos estos fenómenos hicieron que gran parte de la materia normal quedase fuera de las galaxias y a mucha temperatura, sin posibilidad de formar estrellas. Algunas galaxias perdieron la mayor parte de su gas en esta época con estos procesos, pero muchas otras conservaron parte del mismo hasta nuestros días, y han seguido formando estrellas hasta ahora.

(Sé que todo esto no cabrá en absoluto en sólo 1 minuto de vídeo, pero he tratado de destacar en negrita los datos importantes. Todo el resto está dedicado a explicarlos en más profundidad para que vosotros lo entendáis todo, y dar información adicional que tal vez quisierais mostrar en el vídeo.)

Os recomiendo mucho ver estos dos vídeos sobre la misma simulación cosmológica, tanto si decidís o podéis usar imágenes de las mismas como si no, porque ilustran muy bien todos los procesos que describo en el texto y ayudarán a guiaros en cuanto a qué información visual habría que incluir:
https://www.youtube.com/watch?v=NjSFR40SY58
https://www.youtube.com/watch?v=QSivvdIyeG4

Por supuesto, y como viene siendo habitual, hay vídeos, charlas, artículos e ideas de divulgación de años anteriores de las que aún no he dejado constancia en este blog. Trataré de ir incluyéndolas a lo largo de este año, si logro tiempo para todo.

Los exoplanetas de TRAPPIST-1

Ayer, la NASA dio una rueda de prensa para anunciar que un equipo internacional de científicos, usando entre otros telescopios el observatorio infrarrojo Spitzer, descubrió que un sistema solar a 39 años luz de distancia contenía siete planetas rocosos, con al menos tres de ellos en la zona de habitabilidad.

Representación artística del sistema estelar descubierto.
Crédito: ESO/N. Bartmann/spaceengine.org

Mi intención original era no escribir sobre el asunto y limitarme a compartir posts en español ya magníficamente explicados como el de Daniel Marín en el blog Eureka, la nota de prensa del ESO o Next de VozPópuli, o los artículos en inglés en la propia Nature, en The Planetary Society, Centauri Dreams (con más detalle en una segunda entrada), National Geographic, SETI Institute, Bad Astronomy, NOW.SPACE, etc. No obstante, al compartir en Facebook el artículo de Daniel Marín se me pidió explicarlo. Me ofrecí a responder preguntas, y esto es lo que Istel, quien hizo la petición original, quería conocer:

Pues mira, quiero saber qué implica. Quiero saber qué podemos esperar. ¿Se van a mandar sondas? ¿Cómo sabemos que es un planeta similar? Es un poco "supuesto", ¿No? ¿Cuánto tardaría en llegar una sonda? ¿Se podría mandar con la tecnología que hay? ¿Qué pasos se dan ahora?

Como acabé extendiéndome bastante en la respuesta, he decidido colgarlo aquí por si puede resultar útil a alguien más. Lo que sigue es una versión revisada y corregida de mis comentarios en la red social, con una explicación en la que evito en lo posible usar términos técnicos y en un tono coloquial. Voy a ir por partes, primero hablando del sistema en sí, y luego sobre su exploración posterior y la posibilidad de mandar sondas :)

De los siete planetas que se han encontrado en torno a esa estrella sabemos lo siguiente:

1) Su tamaño, porque se han detectado cuando pasan por delante de su estrella, y hacen que nos llegue menos luz de la misma. Cuanto más grandes son, más luz taparán. Todos tienen tamaños parecidos a la Tierra, y esto es prometedor porque si fuesen más grandes podrían ser planetas gaseosos o con atmósfera muy densa que hiciera menos probable la vida en ellos. Si son como la Tierra, Venus o Marte, viene mejor.

2) Su "año", lo que tardan en dar una órbita completa a su estrella. Esto nos dice cómo de lejos están de su "sol", y por tanto qué temperatura tienen. Y resulta que entre 3 y 4 de esos planetas estarían a una temperatura de entre 0 °C y 100 °C, de modo que si tienen atmósfera y agua, ¡ese agua podría estar en estado líquido formando océanos en sus superficies!

3) Sus masas. La estrella de ese sistema es bastante más pequeña y fría que el Sol (de hecho tiene el tamaño de Júpiter nada más), y los planetas están tan cerca unos de otros que se influyen entre ellos por la gravedad. Esto hace que sus órbitas sufran ligeros cambios que también se han medido, y las masas se obtienen de ahí. Pero lo importante es que sus masas permiten obtener…

4) Sus densidades. Y esto nos dice de qué están hechos los planetas, lo que también influye en su habitabilidad. Resulta que estos planetas tienen una composición bastante parecida a la de la Tierra, aunque un par de ellos tienen densidad menor. Parece que estos últimos se formaron con bastante proporción de hielo, no sólo roca, y al estar en la zona de 0-100 °C podrían tener océanos enormes cubriendo toda la superficie, de cientos de kilómetros de profundidad (los de la Tierra sólo tienen 11 km como máximo, y en promedio unos 4 km o así).

Ilustración de los tamaños relativos de los planetas descubiertos. Crédito: NASA/R. Hurt/T. Pyle

Una cosa importante es que al estar tan cerca de su estrella, los efectos de marea hacen que los planetas muestren siempre la misma cara hacia ésta, igual que la Luna nos muestra la misma cara a nosotros. De modo que una cara de estos planetas estará siempre iluminada, y en la otra será siempre de noche. Si el planeta tiene bastante tierra firme, tal vez sólo sea habitable en las regiones entre el día y la noche eterna. Si está cubierto de océanos, seguramente el lado nocturno sea todo hielo.

Pero a su vez, las vistas son espectaculares. Desde la Tierra vemos Venus, Marte, Júpiter o Saturno como puntos brillantes en el cielo y ya. Desde uno de los planetas de TRAPPIST-1, cuando los otros están cerca se ven tan grandes como nosotros vemos la Luna, o más.

Ilustración especulativa del posible paisaje en TRAPPIST-1f. Crédito: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (IPAC)

En cuanto a la importancia del descubrimiento, hay que saber que algo que llevamos buscando desde que empezamos a estudiar exoplanetas es uno como la Tierra, para saber si hay vida en otros mundos. Hasta hace no mucho, cuando se descubría un planeta rocoso en la zona habitable los científicos se entusiasmaban, porque se añadía un mundo más que explorar en busca de esto. Sin embargo, la mayoría están demasiado lejos para nuestra instrumentación actual. En torno a la estrella más cercana a la Tierra, Próxima Centauri a 4 años luz, se ha descubierto un planeta rocoso también con temperatura entre 0 °C y 100 °C, pero no pasa por delante de su estrella visto desde la Tierra. Si pasase, podríamos analizar la luz que atraviesa la atmósfera del planeta antes de llegar a nosotros, y ver qué compuestos de la misma han absorbido parte de esa luz. Si hay vida en un planeta, es posible que deje rastro en la atmósfera (por ejemplo, en la Tierra todo el oxígeno atmosférico lo produjo la vida, y además la vida sigue produciendo metano, que sólo dura unos 8 años antes de reaccionar con compuestos de oxígeno y desaparecer. Si hay metano en una atmósfera como la nuestra, es que algo lo está reponiendo). En la atmósfera también se puede detectar el agua, que produce una señal característica.

Y este sistema está a 39 años luz, lo cual es relativamente cerca (hay otros descubrimientos a cientos o miles de años luz), y pronto los telescopios podrán estudiarlo. Justo el año que viene se lanza al espacio un telescopio infrarrojo llamado James Webb, que tiene entre sus objetivos precisamente esto. El tener un sistema con tantos planetas rocosos tan cerca y tantos en la zona habitable nos permite estudiar muchos al mismo tiempo. Y además, si ha surgido vida en uno de los habitables, es posible que todos la tengan, porque los impactos de meteorito la transportarían de uno a otro (!).

Respecto al tema de mandar algo allí… bueno, en estos momentos se está empezando a planificar cómo mandar sondas a Próxima Centauri (o Alfa Centauri en sí, ya que Próxima está más cerca pero forma parte de un sistema triple junto con Alfa Centauri A y Alfa Centauri B). La opción que se está estudiando se llama Breakthrough Starshot (sobre la que Daniel Marín también escribió), y consiste en velas de 4x4 metros y muy finas que tendrían toda la electrónica y sensores en un chip para que todo pese sólo unos gramos, que serían impulsadas desde Tierra con pulsos de láser. Cuanto menos pesen más rápido se las podrá acelerar, y antes llegarán. Pero seguramente tarden como poco unos 20 años en llegar a Alfa Centauri. De modo que a TRAPPIST-1, que está a 39 años luz, con nuestra tecnología actual a lo mejor tardarían 200 años. No resulta práctico a corto plazo. Quizás en un futuro :)

Algo que también podría resultar útil para entender esta noticia es el vídeo siguiente, una charla de 10 minutos en la que expliqué en 2012 las técnicas que usamos para detectar y estudiar exoplanetas con nuestra tecnología actual:

Y por último, como me gustó bastante cuando la vi en la rueda de prensa, enlazo el vídeo con la representación artística en 3D de la posible apariencia de los siete planetas de TRAPPIST-1. Crédito: NASA/JPL-Caltech.

Doctor en Física

Todo salió bien. El pasado 16 de diciembre defendí con éxito mi tesis doctoral, Gravitational Lensing: the Structure of Quasars and Galaxies, y obtuve así el grado de Doctor en Física por la Universidad de Valencia.

La tesis en sí puede descargarse gratuitamente desde el repositorio RODERIC de la Universidad de Valencia, en el siguiente enlace:

Descargar tesis doctoral

En ella hay unas páginas iniciales con agradecimientos (y algunos de quienes leáis esto os podéis encontrar en ellos), seguidas de un resumen en castellano de 4000 palabras de la tesis entera (necesario al estar el resto en inglés), y después una introducción con los conceptos necesarios para entender la investigación en sí. El trabajo que realicé estos cinco años se estructura en cuatro artículos científicos, tres de ellos ya publicados y uno aún en proceso. Los tres artículos publicados son los siguientes:

Structure of the Accretion Disk in the Lensed Quasar Q2237+0305 from Multi-epoch and Multi-wavelength Narrowband Photometry. Muñoz, J. A.; Vives-Arias, H.; Mosquera, A. M.; Jiménez-Vicente, J.; Kochanek, C. S.; Mediavilla, E. (2016), ApJ, 817, 155

Observations of the Lensed Quasar Q2237+0305 with CanariCam at GTC. Vives-Arias, H.; Muñoz, J. A.; Kochanek, C. S.; Mediavilla, E.; Jiménez-Vicente, J. (2016), ApJ, 831, 43

Observations of radio-quiet quasars at 10-mas resolution by use of gravitational lensing. Jackson, Neal; Tagore, Amitpal S.; Roberts, Carl; Sluse, Dominique; Stacey, Hannah; Vives-Arias, Hector; Wucknitz, Olaf; Volino, Filomena (2015), MNRAS, 454, 287

Mi familia obtuvo fotos y vídeos durante la defensa. Comparto algunas aquí:

Y los vídeos los he unido para que pueda verse todo junto, en este enlace o a continuación. Hubo una parte en la que sólo disponemos de sonido y no imagen, así que en ese fragmento (de 5:56 a 10:02) se muestran las imágenes de la presentación que iba siguiendo.

Para la tesis y su defensa hicieron falta algunas representaciones artísticas de los objetos o fenómenos involucrados en los sistemas que estudio, así que acabé por hacerlas yo mismo. La primera de ellas ilustra el objeto principal de mi investigación: sistemas en los que la luz emitida por un quásar se ve desviada por una galaxia que actúa como lente gravitacional, haciendo que observemos cuatro imágenes del mismo en vez de sólo una. El fenómeno de lente gravitacional lo utilizamos para estudiar tanto las propiedades del quásar en sí como la distribución de materia oscura en el halo de la galaxia lente (ilustrada en gris).

En el centro del quásar se sitúa un agujero negro supermasivo con un disco de acreción formado por materia muy caliente. En nuestra investigación medimos un radio de varios días luz para este disco, que está a su vez rodeado de nubes de gas caliente e ionizado.

El disco de acreción y otra materia en esas regiones centrales son los que emiten las ingentes cantidades de radiación que proporcionan al quásar su increíble luminosidad. Más lejos se encuentra una acumulación de polvo en forma de toroide (de dónut) que emite luz infrarroja, una región bicónica de gas excitado e ionizado que parte de la abertura central del toroide, y en un 10% de los casos dos chorros de materia relativista que se detectan por las emisiones de radio que dieron a los quásares originalmente su nombre.

Es posible que siga realizando ilustraciones de este tipo, y en ese caso las compartiré. De momento aún tengo pendiente escribir posts de divulgación explicando mi trabajo en más detalle, y volver a la divulgación científica en general mientras terminamos el cuarto artículo y mando solicitudes a las diversas universidades que ofrecen posiciones postdoctorales relacionadas con mi investigación. No dudéis en preguntar si queréis saber algo ya o no quedan cosas claras debido a lo fragmentado del vídeo, no obstante.