El peso de la ausencia

“Sabía quién era esta mañana, pero he cambiado varias veces desde entonces.”

Lewis Carroll

El mayor enigma que enfrenta la física de principios del siglo XXI es entender la paradoja gravitacional que ha llevado a los astrofísicos a proponer la existencia de la Materia Oscura y la Energía Oscura. Durante las últimas décadas, los científicos han apilado una cantidad sobrecogedora de datos a escalas astronómicas que indican o bien que las teorías gravitacionales existentes requieren modificación o bien el 25% de la materia en el Universo no se nos ha revelado de manera evidente, así como el 70% de la energía que explicaría su expansión acelerada.

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Reflejos del espejo más potente

jwst-cleanroom-red¿Por qué persistes, incesante espejo?

Jorge Luis Borges

No imaginamos las sorpresas que vamos a encontrar cuando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) despliegue sus velas y revele su inmensa estructura con 18 espejos hexagonales, en el espacio exterior. No es poco lo que hemos aprendido sobre el origen y procesos que ocurren en el Universo, a través de diferentes instrumentos en todas las frecuencias del espectro electromagnético: desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Hemos desarrollado modelos enmarcados en la Relatividad General: el Big Bang, el periodo inflacionario,  del origen de la materia como la conocemos, de la formación estelar y de la formación de las galaxias. No obstante, cada nueva observación directa siempre nos conduce a revelaciones fascinantes: la naturaleza tiene la última palabra.  Continue reading “Reflejos del espejo más potente”

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Lentes siderales

Browniana en el año Internacional de la Luz

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“He pasado ya un tiempo buscando en profundidad la verdad sobre lo que se ha atribuido a los científicos con respecto al poder de incendiar con luz un cuerpo a una distancia lejana, y está relacionado con Arquímedes por la combustión de unas naves de los enemigos con esta clase de artificio, hasta que he conocido el total de los casos en este tema. He investigado con precisión y he recurrido a propósito del tema a lo que he encontrado en los libros de los antiguos y de ellos he extraído lo que contenían, es decir, la descripción de la combustión con la luz del Sol reflejada en un espejo a una distancia cercana; y un tipo de combustión con luz de un cuerpo cercano que se refleja en un espejo. Luego, he continuado el estudio en lo que no está contenido en estos libros hasta deducir la descripción del incendio por medio de la luz del Sol que pasa a través de un instrumento y se refracta en el aire.”

Ibn Sahl “El libro sobre los instrumentos incendiarios “,  Bagdad Siglo X, traducción y análisis  Sara Cerantola, Universidad Ca’ Foscari de Venecia.

Se habla de lente gravitacional por analogía con la óptica. La luz al pasar de un medio a otro se desvía de su curso, fenómeno que llamamos “refracción”. Un lente óptico es un artefacto que aprovecha esa propiedad de la interacción luz y materia haciendo que las imágenes que se generan de los objetos, vistos a través de ellos, aparezcan deformadas. La descripción matemática del fenómeno se eleva con toda la gracia de la geometría y se resume en lo que conocemos como “Ley de Snell” (1621), aun cuando ya aparece explicada en detalle desde el siglo X por el científico islámico Ibn Sahl en “El libro sobre los instrumentos incendiarios”. Continue reading “Lentes siderales”

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Destellos del Universo sobre los Andes

Un poco de historia. Un ejemplo más de cómo la investigación que persigue un objetivo puede ser el origen de un descubrimiento inesperado.

Durante los años sesenta, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear estadounidense (NNSA por sus siglas en Inglés) llevó a cabo un programa espacial  llamado Vela que consistía en poner en órbita 10 satélites con instrumentos capaces de detectar destellos violentos de rayos gamma, típicos de actividad nuclear. Los rayos gamma son las formas más energéticas de luz que conocemos, se ubican hacia el final del espectro electromagnético, después de los rayos X1.

Efectivamente, estos observatorios flotantes eran espías. Si algún país (por ejemplo, de la Unión Soviética) detonara armas nucleares en el espacio, esto resultaría en la liberación de grandes cantidades de rayos gamma, que serían detectados por los satélites de este proyecto. Finalmente se lograron poner en marcha hasta 6, el último de ellos fue lanzado en 1970.

Deplorable o noble plan, la caja del conocimiento humano no tardaría en obtener una nueva golosina. Sucedió un día de 1963 que varios de los satélites Vela detectaron un destello repentino y muy potente de rayos gamma. ¿Quién está haciendo pruebas nucleares a esta hora? Pues el análisis de los datos mostró que ningún país era el responsable, que ese destello tenía una fuente extraterrestre. Ese descubrimiento se mantuvo en secreto de estado hasta los años setenta, cuando finalmente se publicó el hallazgo en la revista “Astrophysical Journal”, revelando al mundo las Explosiones Cósmicas de Rayos Gamma o GRB por sus siglas en inglés.

Desde entonces, estos fenómenos que son detectados a diario — si, así de frecuentes son— han sido objeto de estudio. Estas misteriosas descargas producen un resplandor en objetos vecinos en otras frecuencias de luz que nos permiten obtener más información de su naturaleza y origen. Aun no está muy claro cómo son producidos, lo que si sabemos es que su distribución, casi uniforme en todo el espacio, revela que en su mayoría son extra galácticos (de otro modo, se observarían todos en el plano de la Vía Láctea).

Los estallidos de rayos gamma se clasifican según su duración. Se pueden observar entre pocos milisegundos y 2 segundos (cortos) o entre 2 segundos y cientos de segundos, con un promedio de 30 segundos (largos). Los estallidos cortos se han asociado a la fusión de dos estrellas de neutrones para formar un agujero negro o de una estrella de neutrones con un agujero negro para formar un agujero negro más grande. Los largos parecen estar asociados con supernovas.

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Varios satélites se han destinado a capturar los destellos de rayos gamma: Entre 1991 y 2000 funcionó el “Experimento de la Fuente Explosiva y Transitoria” (BATSE por sus siglas en inglés), el Beppo-Sax entre 1996 y 2002 y  actualmente en marcha están el Swift y el Fermi. El siguiente video recrea cómo aparecen los GRB ante el ojo de Swift.

El espectro de radiación electromagnética (lo que llamamos luz) que viene del espacio puede cubrir rangos de energías de hasta 30 ordenes de magnitud (desde 1 hasta un 1 con 30 ceros), las de más baja energía son las ondas de radio, pasando por las microondas, el infrarrojo, luego el visible, el ultravioleta, los rayos X y por último los gamma. La astronomía moderna procura observar en todos los rangos, cada uno provee información única. Los estallidos de rayos gamma pueden producir fotones de diversas energías en su rango, así como en otros en su resplandor remanente. Parte de la identificación de los estallidos de rayos gamma se hace por coincidencia en la detección según el rango en el espectro electromagnético.

El satélite Fermi esta equipado con instrumentos sensibles a fotones de alta energía ( < 100 Giga eV o 100 mil millones de eV). Sin embargo, el flujo de estos rayos decrece dramáticamente a medida que aumenta la energía y la probabilidad de detección desde bases espaciales comienza a necesitar la ayuda de experimentos de gran superficie con base terrestre.

Si un rayo gamma de alta energía, digamos entre los 100 Giga eV-100 Tera eV2 golpea la atmósfera, literalmente, su interacción con los átomos de nitrógeno producirá una cascada de partículas o rayos cósmicos secundarios que pueden ser detectados por instrumentos en tierra.

El Observatorio más grande del mundo.

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En la aventura del descubrimiento de las fuentes de los estallidos de rayos gamma, tenemos ya dos experimentos en construcción en América Latina y en algunos casos ya adquiriendo data. Uno de ellos es el Observatorio de Gran Altitud de Detectores Cherenkov de Agua de GRB, HAWC 3, una colaboración Mexicana-Estadounidense que funciona en los paisajes volcánicos de Sierra Negra (a 4100m de altura sobre el nivel del mar), estado de Puebla.

El otro vigilante del cielo, con sabor latinoamericano, es un proyecto de observatorio que trasciende fronteras, no está ubicado en un país sino que cubrirá una buena extensión del globo terráqueo en varias latitudes, desde México hasta la Antártida. La idea es posicionar detectores sobre montañas muy altas, la mayoría sobre la cordillera Andina. El Observatorio Gigante Latinoamericano (LAGO por sus siglas en ingles: Latin American Giant Observatory), es una colaboración entre 9 países: Argentina, Bolivia, Brasil, Colombia, Ecuador, Guatemala, México, Perú y Venezuela y 34 Instituciones académicas. ¿Por qué convertir la detección de GRB en un deporte extremo y escalar montañas escarpadas cubiertas de nieve? La razón es que la sensibilidad de la detección aumenta con la altura (por ejemplo, es 100 veces mayor a 5200 m, Monte Chacaltaya, Bolivia que a 1400 m,  Auger, Mendoza, Argentina). Para la fecha, LAGO cuenta con varios sitios ya en funcionamiento: en el Monte Chacaltaya, Bolivia (5200m), en la Sierra Negra de Mexico (4600m)  y en Marcapomacocha, Perú ( 4450 m), y cuenta con el apoyo de prototipos de detección en Auger, Argentina;  La Universidad de los Andes, Mérida, Venezuela y en el Cusco, Perú.

  1. Cuando hablamos de luz de energía tan alta es natural usar una unidad llamada el electrón Voltio o eV. 1 eV es  1.602 x10^{-19}   Jouls. En esas unidades no tenemos que recurrir a potencias muy grandes o muy pequeñas de 10. Los rayos gamma incluyen todos los fotones con energías > 0.511 Mega eV, es decir ese número multiplicado por un millón. Para que tengas una idea los fotones en el rango visible tienen una energía, en estas unidades, de 1eV a 3 eV; mientras el ultravioleta, que tanto daño hace a nuestra piel, va desde los 3eV a los 30 eV []
  2. Giga es el prefijo que significa mil millones y Tera añade 3 ceros más a Giga. Para la lista completa de prefijos te recomiendo mirar esta tabla []
  3. El nombre de esta colaboración hace alusión a la técnica de detección que utiliza. Los detectores de luz Cherenkov son unos tanques muy grandes llenos agua que se oscurecen para permitir solo la entrada de los rayos gamma de muy alta energía, típicos de las lluvias de rayos cósmicos secundarios. Cuando un rayo gamma de estos logra atravesar las paredes del tanque y entra en el agua, creará pares electrón-positrón que viajaran más rápido que la luz en el medio. Cuando esto sucede, la partícula cargada emite un cono de luz, parecido al que se crea cuando un avión rompe la barrera del sonido. Es decir, los pares electrón positrón romperán la barrera de la luz en el agua y se observará un cono luminoso que se denomina “luz de Cherenkov”, en honor a su descubridor. Finalmente esta luz de Cherenkov es capturada por unos sensores — fotomultiplicadores– estratégicamente colocados en el interior de los tanques []
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