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Label: Fisica



El sistema de navegación por satélite Galileo, que ya está al servicio de los usuarios de todo el planeta, ha dado una alegría de proporciones históricas a todos los físicos del mundo, al permitir medir con una precisión inédita cómo los cambios en la gravedad alteran el paso del tiempo, un elemento clave de la teoría general de la relatividad de Einstein.

Dos equipos europeos de física fundamental, trabajando en paralelo, han logrado quintuplicar la precisión de medición del efecto de dilatación provocado por la gravedad, lo que se conoce como ‘corrimiento al rojo gravitacional’.

La prestigiosa revista Physical Review Letters acaba de publicar los resultados independientes obtenidos por ambos consorcios, recabados a partir de más de mil días de datos obtenidos por el par de satélites de Galileo en órbitas alargadas.


Time shift in billionths of a second

“Resulta muy satisfactorio para la ESA ver que nuestras expectativas iniciales de que tales resultados fueran teóricamente posibles ahora se hayan producido en la práctica y nos ofrezcan la primera mejora registrada en las pruebas de corrimiento al rojo gravitacional en más de 40 años”, comenta Javier Ventura-Traveset, director de la Oficina Científica de Navegación de Galileo de la ESA.

“Estos extraordinarios resultados han sido posibles gracias a las características únicas de los satélites Galileo, y especialmente a la alta estabilidad de sus relojes atómicos, a las precisiones alcanzables en la determinación de la órbita y a la presencia de retrorreflectores láser, que permiten llevar a cabo mediciones orbitales independientes y muy precisas desde el suelo, lo que resulta clave para resolver errores orbitales y de reloj”.


Incorrect orbits

Estas actividades investigadoras en paralelo, conocidas como GREAT (Experimento de Corrimiento al Rojo Gravitacional de Galileo con Satélites Excéntricos) han sido realizadas por el Observatorio SYRTE de París (Francia) y el Centro de Tecnología Espacial Aplicada y Microgravedad (ZARM) de la Universidad de Bremen (Alemania) bajo la coordinación de la Oficina Científica de Navegación de Galileo de la ESA y con el apoyo de sus Actividades Básicas.

Un accidente con consecuencias positivas

Estos resultados son la feliz consecuencia de un desafortunado accidente: en 2014, los satélites 5 y 6 de Galileo quedaron atrapados en órbitas incorrectas debido a un fallo en la etapa superior de un cohete Soyuz, impidiendo su uso para la navegación. Los controladores de vuelo de la ESA se lanzaron a una atrevida maniobra de recuperación espacial para elevar los puntos más bajos de sus órbitas y hacerlas más circulares.

Una vez que los satélites lograron tener una vista de todo el disco terrestre, se pudieron fijar sus antenas y activar sus cargas útiles de navegación. En la actualidad, los satélites se emplean como parte del Servicio de Búsqueda y Salvamento (SAR) de Galileo, mientras que su integración como parte de las operaciones nominales de la constelación está siendo evaluada de forma definitiva por la ESA y la Comisión Europea.


A pesar de todo, sus órbitas siguen siendo elípticas: cada satélite asciende y desciende unos 8.500 km dos veces al día. Pero ha sido precisamente esta oscilación regular en su altura y, por ende, en sus niveles de gravedad, lo que los ha convertido en una herramienta de gran valor para los equipos de investigación.

Recreación de las predicciones de Einstein

Albert Einstein predijo hace un siglo que el tiempo se ralentiza cerca de un objeto masivo. Esto se ha verificado de forma empírica en varias ocasiones; la más significativa fue en 1976, cuando se lanzó a 10.000 km en el espacio un reloj atómico de máser de hidrógeno en el cohete suborbital Gravity Probe A, confirmando la predicción de Einstein hasta un nivel de precisión de 140 partes por millón.

De hecho, los relojes atómicos a bordo de los satélites de navegación ya deben tener en cuenta que se mueven más rápido (unas décimas de microsegundo por día) en órbita que en tierra, lo que daría lugar a errores de navegación de unos 10 km diarios si no se corrigieran.


Gravity Probe A

Los dos equipos confiaron en la sincronización de los relojes de máser pasivo de hidrógeno (PHM) a bordo de cada satélite (con una precisión de un segundo en tres millones de años) y la estabilidad del segmento de tierra de Galileo en todo el mundo.

“Que los satélites Galileo transporten relojes de máser pasivo de hidrógeno ha sido esencial para la precisión que han logrado alcanzar estas pruebas”, apunta Sven Hermann, de ZARM.

“Aunque cada satélite de Galileo transporta dos relojes de rubidio y dos relojes de máser de hidrógeno, solo uno de ellos está activo como reloj de transmisión. Durante nuestro plazo de observación, nos centramos en los periodos en que los satélites transmitían con relojes PHM y evaluamos cuidadosamente la calidad de estos datos tan valiosos. Las mejoras continuas en el procesamiento y, especialmente, en la modelización de los relojes podrían llevarnos a lograr resultados aún más precisos en el futuro”.


Day of Galileo observations

Resultados aún mejores

Uno de los principales retos de estos tres años de trabajo fue perfeccionar las mediciones de corrimiento al rojo gravitacional eliminando efectos sistemáticos, como los errores de reloj y el desplazamiento orbital, debidos a factores como el achatamiento ecuatorial, la influencia del campo magnético terrestre, las variaciones térmicas e incluso el leve aunque persistente empuje de la propia luz del Sol, que se conoce como ‘presión de la radiación solar’.


Passive Hydrogen Maser atomic clock

“El cuidado y la cautela en la modelización y control de estos errores sistemáticos han sido esenciales, con estabilidades de hasta 4 picosegundos por periodo orbital de 13 horas de los satélites; es decir, cuatro millonésimas de millonésima de segundo”, explica Pacôme Delva, del Observatorio SYRTE.

“Para ello hemos contado con el apoyo de numerosos expertos, y especialmente de la ESA, gracias a su conocimiento del sistema Galileo”.


Laser ranging station

El seguimiento preciso por satélite ha sido posible gracias al Servicio Internacional de Mediciones Láser (ILRS), que envía haces hacia los retrorreflectores de Galileo para efectuar comprobaciones orbitales a escala centimétrica.

También se ha recibido una ayuda fundamental de la Oficina de Soporte a la Navegación, basada en el centro ESOC de la ESA en Alemania, cuyos expertos generaron el reloj de estabilidad de referencia y productos orbitales para los dos satélites excéntricos de Galileo, a la vez que determinaron los errores residuales de las órbitas tras las mediciones láser.



esa


Los neutrinos son partículas bastante raras, y no es porque haya pocas: son la segunda partícula más abundante del universo. De hecho, cada segundo atraviesan nuestro cuerpo billones de neutrinos producidos en el Sol, incluso de noche. Decimos que son raras justamente porque pueden atravesarnos, cruzar la Tierra y seguir su camino intactas.

 Ilustración de los módulos ópticos (de unos 30 cm cada uno) del detector KM3NeT de neutrionos, con una unidad de detección en la boya amarilla. (Foto: © Edward Berbee/Nikhef)

Esta propiedad es lo que ha hecho que cientos de científicos e ingenieros de todo el mundo hayan trabajado durante años para construir y operar telescopios gigantescos que permitan estudiar el cosmos con este tipo de partículas. Estos telescopios también son ‘raros’. Su funcionamiento se basa en detectar una luz azulada (denominada luz Cherkenkov) que se emite cuando un neutrino interacciona cerca del detector y produce otras partículas.

Los telescopios de neutrinos consisten en una red de cientos o miles de detectores de luz encapsulados en esferas de cristal de tamaño de un balón de playa e instalados en el fondo del mar o en el hielo antártico. Este último es el caso de IceCube, localizado en la Antártida, que acaba de publicar la detección de neutrinos provenientes del blazar TXS 0506+056.

Un blazar es un caso particular de galaxia de núcleo activo (AGN, por sus siglas en inglés), es decir, galaxias en las que existe un agujero negro con una masa millones de veces mayor que la del Sol sobre la que cae materia a gran velocidad.

Las AGN son uno de los candidatos favoritos de los astrofísicos para explicar uno de los misterios más longevos en Física: ¿Cuál es el origen de los rayos cósmicos de gran energía que observamos? Por tanto, el descubrimiento tiene gran importancia y trascendencia, como fue subrayado en la rueda de prensa donde se presentó.

Además de arrojar luz sobre la cuestión del origen de los rayos cósmicos, confirma que estamos en una nueva era en la observación del cielo. En los últimos dos años hemos asistido al nacimiento de la astronomía de multimensajeros. La reciente observación de ondas gravitacionales y la identificación de la primera fuente de neutrinos cósmicos de alta energía nos van a permitir tener una comprensión mucho más completa del universo.

El nuevo descubrimiento tiene detrás un esfuerzo enorme para construir un detector que abarca un kilómetro cúbico enterrado a 2.000 metros bajo la superficie del Polo Sur. Tuve la suerte de participar como miembro de esta colaboración durante una estancia postdoctoral de dos años en la Universidad de Madison-Wisconsin (la institución estadounidense que lidera la colaboración internacional IceCube), bajo la dirección de Francis Halzen, investigador principal del proyecto.
 
Mi labor estuvo centrada en el análisis de las prestaciones esperadas para este detector y allí pude comprobar de cerca la rigurosidad de las pruebas de calidad de todos los elementos y el altísimo de nivel de organización logística, que han hecho posible instalar y operar exitosamente este detector en un ambiente tan extremo como la Antártida.

Pero hay que recordar que actualmente existen dos proyectos en el mar Mediterráneo dedicados también a buscar neutrinos cósmicos: ANTARES y KM3NeT, en los que participan grupos españoles (el Instituto de Física Corpuscular o IFIC, la Universidad Politécnica de Valencia y la Universidad de Granada).

ANTARES lleva tomando datos desde 2007. Es bastante más pequeño que IceCube (en una proporción 1:50), pero ha demostrado la viabilidad de su técnica en el fondo del mar, con importantes ventajas respecto al hielo. En particular, se observa como la luz se dispersa menos en el agua y una mejor resolución angular, algo crucial en un telescopio para identificar bien de dónde vienen los neutrinos.

Esto ha impulsado el siguiente paso: construir un detector del tamaño de IceCube en el Mediterráneo. Se llama KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) y ya se han comenzado a instalar sus primeras líneas. En 2020 contará con un centenar de líneas cerca de la costa francesa y otro centenar al sur de Italia.

Es interesante señalar que hay una cooperación bastante cercana entre estos dos experimentos del Mediterráneo y IceCube, incluyendo reuniones anuales conjuntas. De hecho, ANTARES fue una de las colaboraciones científicas que recibió la alerta e información previa sobre el blazar TXS 0506+056, lo que nos ha permitido estudiar si había una señal de esa fuente en nuestros datos.

Los telescopios de neutrinos como ANTARES y KM3NeT también están centrados en uno de los grandes retos de la física de partículas actual: la búsqueda de materia oscura. Sabemos que la materia oscura constituye el 80% de la materia del universo, pero no está hecha de ningún tipo de partícula que conozcamos. Precisamente porque no sabemos de qué está constituida, necesitamos abordar la búsqueda mediante diversas técnicas experimentales, y los telescopios de neutrinos ofrecen ventajas específicas.

En nuestro caso, las fuentes más prometedoras son el Sol y el centro galáctico. La idea es que las partículas de materia oscura se acumulan en estos objetos astrofísicos, y cuando chocan entre ellas producen diversas partículas, entre ellas neutrinos. Ya se han realizado análisis con datos de ANTARES, pero hasta ahora no se han encontrado las señales que buscamos. La construcción de KM3NeT mejorará notablemente nuestra capacidad para estas búsquedas, de manera que quizá en los próximos años podamos desentrañar este misterio. 



SINC

La detección de la primera fuente de estas partículas puede considerarse como un nuevo éxito de la «astronomía multimensajero»





Hasta hace poco, la única forma que teníamos para conocer detalles y características del Universo y los objetos que contiene era la luz. O mejor dicho, las ondas electromagnéticas, de las que la luz forma parte, junto a otras longitudes de onda no visibles por el ojo humano como los infrarrojos, el ultravioleta o los rayos X o Gamma.

Gracias a instrumentos como los modernos espectrómetros, los científicos han sido capaces de «descomponer» los rayos de luz en los colores que contienen. Y resulta que cada color concreto constituye la «firma» única, o la huella digital, de un elemento de la tabla periódica. De esta forma, los astrónomos han conseguido hasta ahora saber de qué elementos está hecha una estrella o galaxia lejana. Y por el «corrimiento» de la luz hacia los extremos rojo o violeta del espectro han podido, además, averiguar si el objeto observado se acercaba o se alejaba de nosotros, y a qué velocidad.

Sin embargo, la luz en sus múltiples formas no es el único vínculo físico que nos une a las estrellas, y una «fuente» de radiación luminosa es capaz, al mismo tiempo, de emitir otros tipos de «mensajeros» además de los consabidos fotones de luz. Lo malo es que hasta ahora no habíamos sido capaces de interpretar a esos otros «mensajeros».

En febrero de 2016, la historia de la astronomía cambió para siempre con el anuncio de la primera detección confirmada de ondas gravitacionales, pequeñas ondulaciones en el tejido espaciotemporal que conforma el Universo y que son capaces de transportar todo un tesoro de información (ajena a la luz) sobre el objeto que las emite. Por primera vez, la ciencia conseguía datos concretos de un evento cósmico (la fusión de dos agujeros negros en otro mayor), sin necesidad de recurrir a las ondas electromagnéticas.


Poco tiempo después, en octubre de 2017, se produjo otro hito de la máxima importancia: la detección de un «choque» entre dos estrellas de neutrones. El evento, por primera vez en la historia de la Astronomía, se estudió observando tanto las ondas gravitacionales como las ondas electromagnéticas (luz visible y rayos gamma) producidas por el titánico encuentro. Setenta telescopios de siete países diferentes ayudaron a tener una imagen completa del extraordinario suceso. Había nacido oficialmente lo que ha dado en llamarse «astronomía multimensajero».

En cierto modo, la situación podría compararse a la de un invidente, acostumbrado a percibir el mundo a través de sus oídos, que se despertara una mañana con la capacidad de ver. 

Un blazar cazado

Hoy, la detección de la primera fuente de rayos cósmicos puede considerarse como un nuevo éxito de esta nueva clase de astronomía. El blazar responsable de la emisión de rayos cósmicos, en efecto, fue "cazado" gracias a la captura de uno de los neutrinos que emite junto a los rayos cósmicos, cuya procedencia resulta indetectable. Y la fuente fue confirmada minutos más tarde gracias a la detección de un estallido de rayos gamma (ondas electromagnéticas) procedente del mismo punto del cielo que el neutrino. Es decir, para este estudio se utilizó otro tipo de "mensajero", el neutrino, en combinación con las ondas electromagnéticas. Los astrónomos llevaban desde 1912 tratando de averiguar de dónde proceden los rayos cósmicos que bombardean continuamente la Tierra.

Los distintos "mensajeros" conocidos capaces de traernos información de objetos lejanos son, pues, las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales, los neutrinos y los rayos cósmicos. Se trata de tipos de emisiones muy diferentes entre sí, pero que pueden proceder de una misma fuente astrofísica. Por eso, el estudio combinado de todos ellos, o de los que sea posible para cada objeto o evento concreto que quiera estudiarse, nos brindarán la visión más rica y detallada conseguida hasta ahora.

Pensémoslo bien. Si solo estudiando la luz de las estrellas hemos conseguido llegar hasta aquí, ¿qué no seremos capaces de hacer a partir ahora con todas estas nuevas fuentes de información?




En esta representación artística, se muestra un poderoso blazar como origen del neutrino IceCube IC170922 - IceCube Collaboration/Google Earth: PGC/NASA U.S. Geological Survy Data SIO,NOAA, U.S. Navy, NGA, GEBCO Landsat/Copernicus



ABC



Un equipo internacional de científicos ha hallado los primeros indicios de una fuente de neutrinos de alta energía: una violenta galaxia activa, o blazar, a cuatro mil millones de años luz de la Tierra. Tras la detección por parte del observatorio de neutrinos IceCube el 22 de septiembre de 2017, el satélite INTEGRAL de la ESA se ha sumado a una colaboración de observatorios espaciales y terrestres que han seguido la fuente, lo que augura un futuro prometedor para la astronomía de multi-mensajeros.

Los neutrinos son partículas ‘fantasma’, casi carentes de masa [1], que viajan sin apenas obstáculos por el espacio prácticamente a la velocidad de la luz. A pesar de ser unas de las partículas más abundantes del Universo (cien billones pasan a través de nuestros cuerpos cada segundo), estas partículas subatómicas y eléctricamente neutras son dificilísimas de detectar, ya que muy raramente interactúan con la materia.

Mientras que los neutrinos primordiales se crearon durante el Big Bang, parte de estas esquivas partículas se producen de forma habitual mediante reacciones nucleares en el cosmos. La mayoría de los neutrinos que llegan a la Tierra proceden del Sol, pero se cree que aquellos que nos alcanzan con mayor energía vienen de las mismas fuentes que los rayos cósmicos, partículas altamente energéticas originadas en fuentes exóticas fuera del Sistema Solar.

A diferencia de los neutrinos, los rayos cósmicos son partículas cargadas, por lo que su trayectoria se curva hasta por los campos magnéticos más débiles. En cambio, la carga neutra de los neutrinos hace que no se vean afectados por los campos magnéticos y, al atravesar la materia casi en su totalidad, pueden servir para trazar una línea recta hasta su fuente.

Los neutrinos actúan así a modo de ‘mensajeros’, trayéndonos directamente información astronómica desde los rincones más remotos del Universo. En las últimas décadas se han construido instrumentos, tanto terrestres como espaciales, para descifrar sus mensajes, aunque detectar estas partículas no es tarea fácil. Concretamente, la fuente de neutrinos de alta energía ha permanecido hasta ahora sin demostrarse.

El 22 de septiembre de 2017, uno de estos neutrinos de alta energía llegó al observatorio IceCube [2], situado en el polo sur. El evento recibió el nombre de IceCube-170922A.

IceCube, que comprende un kilómetro cúbico de hielo prístino a gran profundidad, detecta neutrinos por medio de sus partículas secundarias, los muones. Estos muones se producen en las escasas ocasiones en que un neutrino interactúa con materia cerca del detector y crea rutas kilométricas a través de las capas de hielo antártico. La longitud de estos recorridos permite definir adecuadamente su posición, lo que posibilita la identificación en el firmamento de la fuente del neutrino progenitor.

Durante el evento del 22 de septiembre, un muon dejó 22 TeV de energía a su paso por el detector de IceCube. A partir de ahí, los científicos calcularon que la energía del neutrino progenitor era de unos 290 TeV, lo que suponía un 50 % de probabilidad de origen astrofísico más allá del Sistema Solar.


Neutrino detectado por IceCube

Cuando, como sucede en este caso, IceCube no puede identificar con claridad el origen de un neutrino, se necesita investigar la fuente con observaciones a distintas longitudes de onda. Por eso, tras la detección, los científicos de IceCube hicieron llegar las coordenadas de origen del neutrino en el firmamento, inferidas a partir de sus observaciones, a una red mundial de observatorios espaciales y terrestres que trabajan a lo largo de todo el espectro electromagnético.

Entre ellos estaban el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, de la NASA, y los telescopios MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) de La Palma, en las Islas Canarias. Al dirigir su mirada a sección del firmamento, vieron cómo el blazar conocido como TXS 0506+056 se encontraba en plena ‘llamarada’ (un periodo con una intensa emisión de alta energía) en el momento en que se detectó el neutrino en el polo sur.

Los blazares son los núcleos centrales de galaxias gigantes que albergan un agujero negro supermasivo de acreción activa, en los que la materia que gira forma un disco caliente en rotación que genera enormes cantidades de energía, junto con un par de chorros relativistas.

Estos chorros son gigantescas columnas que canalizan radiación, fotones y partículas (incluidos neutrinos y rayos cósmicos) a decenas de años luz del agujero negro central y a velocidades muy cercanas a la de la luz. Una característica específica de los blazares es que uno de estos chorros parece apuntar hacia la Tierra, por lo que su emisión se muestra especialmente brillante.

Científicos de todo el mundo comenzaron a observar este blazar (la fuente probable del neutrino detectado por IceCube) a distintas longitudes de onda, de ondas de radio a rayos gamma de alta energía. El observatorio de rayos gamma INTEGRAL de la ESA ha sido parte de esta colaboración internacional [3].

“Se trata de un hito clave para comprender cómo se producen los neutrinos de alta energía”, apunta Carlo Ferrigno, del Centro de Datos Científicos de INTEGRAL en la Universidad de Ginebra (Suiza).

“Se había llegado a afirmar que las llamaradas de los blazares estaban asociadas a la producción de neutrinos, pero esto, esta primera confirmación, es absolutamente fundamental. Estamos en una época apasionante para la astrofísica”, añade.


INTEGRAL

INTEGRAL, que estudia el firmamento rayos X duros y rayos gamma blandos, también es sensible a fuentes de alta energía transitorias que atraviesan todo el firmamento. Cuando se detectó el neutrino, INTEGRAL no registró ningún brote de rayos gamma en la posición del blazar, por lo que los científicos pudieron descartar emisiones tempranas de determinadas fuentes, como brotes de rayos gamma.

Tras la alerta por neutrino de IceCube, INTEGRAL apuntó a esta zona del firmamento en varias ocasiones entre el 30 de septiembre y el 24 de octubre de 2017 con sus instrumentos panorámicos y no observó que el blazar se encontrara en estado de emisión ni en el espectro de rayos X duros ni en el de rayos gamma blandos.

El hecho de que INTEGRAL no pudiera detectar la fuente en las observaciones de seguimiento proporcionó información significativa sobre el blazar, lo que permitió a los científicos establecer un límite superior práctico en su emisión de energía durante este periodo.

“INTEGRAL ha desempeñado un papel importante a la hora de determinar las propiedades de este blazar, pero también al permitir a los científicos excluir otras fuentes de neutrinos, como los brotes de rayos gamma”, explica Volodymyr Savchenko, del Centro de Datos Científicos de INTEGRAL, quien ha dirigido el análisis de los datos de INTEGRAL.

Con instalaciones repartidas por todo el planeta y en el espacio, los científicos ahora pueden detectar el paso de innumerables ‘mensajeros cósmicos’ a gran distancia y a velocidades elevadísimas en forma de luz, neutrinos, rayos cósmicos y hasta ondas gravitacionales.

“La capacidad de comandar globalmente telescopios con el objetivo de hacer un descubrimiento empleando distintas longitudes de onda, en cooperación con un detector de neutrinos como IceCube, constituye un hito en lo que los científicos denominan astronomía de multimensajeros”, señala Francis Halzen, de la Universidad de Wisconsin-Madison (Estados Unidos), y científico jefe de IceCube.

Al combinar la información recopilada por cada uno de estos sofisticados instrumentos para investigar una amplia variedad de procesos cósmicos, la era de la astronomía de multimensajeros realmente ha entrado en la fase de explotación científica.

Los telescopios espaciales de alta energía de la ESA están totalmente integrados en esta red de grandes colaboraciones de multimensajeros, como se ha demostrado durante la reciente detección de ondas gravitacionales con un brote de rayos gamma (este último, detectado por INTEGRAL) liberado por la colisión de dos estrellas de neutrones, y en la posterior campaña de seguimiento, con contribuciones de INTEGRAL y del observatorio de rayos X XMM-Newton.

La puesta en común de recursos procedentes de estos y otros observatorios es clave para el futuro de la astrofísica, ya que aumentará nuestra capacidad de descifrar los mensajes que nos llegan de todo el Universo.

“INTEGRAL es el único observatorio disponible en el rango de los rayos X duros y rayos gamma blandos con capacidad de realizar imágenes y espectroscopia dedicadas, y con una vista instantánea de todo el firmamento en cualquier momento”, reconoce Erik Kuulkers, científico del proyecto INTEGRAL de la ESA.

“Tras más de quince años de operaciones, INTEGRAL sigue a la vanguardia de la astrofísica de alta energía”.



[1] Descrito por Frederick Reines, uno de los científicos responsables de la primera detección de neutrinos, como “... la más diminuta cantidad de realidad nunca imaginada por un ser humano”, se calcula que un neutrino contiene una millonésima parte de la masa de un electrón.

[2] La Colaboración IceCube está financiada principalmente por la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF) de los Estados Unidos y es operada por un equipo con sede en la Universidad de Wisconsin-Madison. Los esfuerzos de investigación, incluidas contribuciones clave al funcionamiento del detector, reciben apoyo de organismos de financiación de Alemania, Australia, Bélgica, Canadá, Dinamarca, Estados Unidos, Japón, Nueva Zelanda, Reino Unido, la República de Corea, Suecia y Suiza.

[3] Estos resultados se detallan en el artículo “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A”, publicado en Science:




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Después de décadas buscando dónde nacen los neutrinos y los rayos cósmicos más energéticos del universo, los científicos han encontrado por fin un objeto que los produce: un blazar, una gigantesca galaxia con un agujero negro y un chorro de partículas apuntando directamente hacia la Tierra. El hallazgo se ha realizado en el observatorio IceCube de la Antártida, en colaboración con telescopios de todo el mundo, como MAGIC en Canarias.




Un equipo internacional de científicos ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía, partículas fantasmales sin carga y apenas masa que viajan por el universo en línea recta durante miles de millones de años luz, atravesando galaxias, estrellas y cualquier obstáculo que encuentren en su camino. Se ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía: el blazar TXS 0506 + 056

Uno de estos energéticos neutrinos fue detectado el 22 de septiembre de 2017 en el entramado de sensores que tiene el observatorio IceCube bajo el hielo de la Antártida, en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur. En seguida mandaron una alerta a astrofísicos de todo el mundo para que dirigieran sus telescopios a la fuente de donde parecía proceder la partícula, y la encontraron.

Se trata del blazar TXS 0506 + 056, situado en la constelación de Orión a unos 4.000 millones de años luz de nosotros. Este tipo de objetos son galaxias gigantescas con un agujero negro girando en su interior y que, además, emiten un chorro o jet de partículas apuntando directamente hacia la Tierra.

El gran descubrimiento, presentado hoy en rueda de prensa por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) de Estados Unidos y publicado en dos artículos de la revista Science, también ayuda a resolver un misterio centenario sobre el origen de los rayos cósmicos, partículas muy energéticas que bombardean continuamente la Tierra desde el espacio.





“Los rayos cósmicos tienen carga eléctrica y sus trayectorias son desviadas por los campos magnéticos, de manera, que al llegar a la Tierra no ‘apuntan’ en la dirección de la fuente que los emitió”, explica a Sinc uno de los coautores del descubrimiento, Marcos Santander, profesor de la Universidad de Alabama (EE UU). “Esto hace que, aunque conocemos de la existencia de los rayos cósmicos desde hace más de 100 años, todavía no sabemos a ciencia cierta de donde provienen”. El hallazgo ha sido posible gracias al IceCube, un detector situado en la Antártida

“Sin embargo –añade– una forma de resolver esta cuestión es usar neutrinos, ya que estos son producidos una vez que los rayos cósmicos interactúan con gas o fotones en su camino. Como los neutrinos son partículas neutras, su camino no es afectado por los campos magnéticos y si detectamos una fuente de neutrinos, como de la que ahora tenemos evidencia, podemos concluir que es también una fuente de rayos cósmicos”.
Astronomía multimensajero

Santander también destaca que el hallazgo abre la puerta para a usar los neutrinos en la observación del universo: "Estamos empezando a hacer astronomía utilizando otros medios además de la luz, combinando las observaciones electromagnéticas (obtenidas con telescopios ópticos, de radio, rayos X, etc.) con otras mediciones en lo que ahora llamamos astronomía multimensajero. Ya está aquí la era de la astrofísica de múltiples mensajeros, con la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos

Esta es la primera evidencia que tenemos de una galaxia activa emitiendo neutrinos, lo que significa que pronto podremos comenzar a observar el cosmos usando los neutrinos para aprender más sobre estos objetos en formas que serían imposibles solo con la luz".

El científico principal del observatorio IceCube, Francis Halzen, profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison, también lo destaca: "La capacidad de reunir telescopios en todo el mundo para hacer un descubrimiento, usando una variedad de longitudes de onda y junto con un detector de neutrinos como IceCube, marca un hito en la denominada astronomía de múltiples mensajes".




IceCube

"La era de la astrofísica de varios mensajeros está aquí", insiste por su parte el director de la NSF, France Córdova. "Cada mensajero, desde la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos, nos proporciona una comprensión más completa del universo y nuevos conocimientos importantes sobre los objetos y eventos más poderosos del cielo. Estos avances solo son posibles a través de un largo compromiso a largo plazo con la investigación fundamental y la inversión en excelentes instalaciones de investigación". Este tipo de objeto es lo suficientemente potente como para acelerar los rayos cósmicos de alta energía y los neutrinos asociados

De hecho, las emisiones del blazar TXS 0506 + 056 se han analizado con este tipo de nueva astronomía. Cuando el neutrino de alta energía chocó contra un núcleo atómico en el detector de IceCube, un evento conocido como IC170922A, en menos de un minuto se transmitieron las coordenadas a la comunidad científica internacional.

Fueron especialmente relevantes las observaciones del telescopio espacial Fermi de la NASA y el Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC), localizado en la isla canaria de La Palma, que registraron los destellos de rayos gamma de alta energía asociados al blazar. Este tipo de objeto es lo suficientemente potente como para acelerar los rayos cósmicos de alta energía y los neutrinos asociados.




IceCube

Hasta ahora se conocían solo dos fuentes de neutrinos, aunque mucho menos energéticos: los procedente del Sol y de una supernova cercana. Sobre los de alta energía, se especulaba que podrían proceder de eventos mucho más violentos del cosmos, como galaxias en colisión y núcleos galácticos activos. Curiosamente, los blazars, no eran uno de los candidatos principales. "Había un consenso general de que los blazars probablemente no eran fuentes de rayos cósmicos, pero aquí estamos"

"Había un consenso general de que los blazars probablemente no eran fuentes de rayos cósmicos, pero aquí estamos", reconoce Halzen, “y ahora hemos identificado al menos una fuente que genera rayos cósmicos de alta energía porque produce neutrinos cósmicos. Los neutrinos son los productos de desintegración de los piones (un tipo de partículas ligeras), y para producirlos se necesita un acelerador de protones".

Los rayos cósmicos son básicamente protones o núcleos atómicos. Las partículas se envían a toda velocidad a través del universo debido a que las galaxias donde se crean actúan de la misma forma que los aceleradores de partículas en la Tierra, aunque a una escala mucho mayor. De hecho, el neutrino detectado en IceCube tenía una energía de casi 300 TeV. Por comparar, la energía de los protones que circulan en el gran colisionador de hadrones del CERN ronda los 6,5 TeV. 

Una revisión de registros anteriores

Después de la detección del 22 de septiembre, el equipo IceCube, que viene detectando neutrinos cósmicos desde 2013, echó la vista atrás y rastreó rápidamente los datos archivados del detector, descubriendo que, entre finales de 2014 y principios de 2015, la procedencia de más de una docena de neutrinos astrofísicos coincidía con el mismo blazar TXS 0506 + 056. "Este resultado es histórico. Estamos viviendo una década histórica en el estudio del universo", afirma Carlos Pobes

Esa observación independiente, publicada en el segundo artículo de Science, fortalece en gran medida la detección inicial de un solo neutrino de alta energía y se suma a un conjunto de datos que indica que este blazar es el primer acelerador conocido de neutrinos y rayos cósmicos de alta energía.

Para el físico español Carlos Pobes, que en 2012 trabajó en IceCube y ahora en la Universidad de Zaragoza, “este resultado es histórico, y aunque es verdad que últimamente estamos asistiendo a muchos acontecimientos 'históricos', como los últimos resultados con ondas gravitacionales, la verdad es que todos lo son. Estamos viviendo una década histórica en el estudio del universo, siendo testigos del nacimiento de la astronomía con multimensajeros”.

“Me complace especialmente pensar que este descubrimiento acerca a Francis Halzen un poquito más a un Nobel, que sería muy merecido –subraya el investigador–. Ya es de por sí increíble que concibiese este telescopio en un lugar tan remoto como el Polo Sur, pero construirlo con éxito y que esté dando estos resultados es algo maravilloso”.

El observatorio de neutrinos IceCube

La detección de neutrinos de alta energía requiere un detector gigante. IceCube es, en volumen, el detector de neutrinos más grande del mundo. Está enterrado a profundidades de entre 1,5 y 2,5 kilómetros bajo una estación antártica en el Polo Sur.




La portada de Science ilustra los DOM de IceCube.

La única instalación visible en la superficie es el IceCube Lab (ICL), que aloja las computadoras que recogen los datos de los más de 5.000 módulos ópticos digitales (DOM), unos sensores esféricos de unos 35 cm de diámetro distribuidos en red por el hielo, junto a tubos fotomultiplicadores.

Cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo, crea una partícula secundaria cargada que, a su vez, genera un cono característico de luz azul que IceCube detecta y mapea a través de la red del detector. Como la partícula cargada y la luz que genera permanecen fieles a la dirección del neutrino, esto indica a los científicos el camino a seguir hacia la fuente.

IceCube monitorea continuamente el cielo, incluso hacia el cielo del hemisferio norte a través de la Tierra, registrando un neutrino cada pocos minutos.

La mayoría son de baja energía, creados por fenómenos comunes, como los formados durante las lluvias de partículas subatómicas por los rayos cósmicos que se estrellan contra los núcleos atómicos de la atmósfera de la Tierra.

En la colaboración internacional IceCube que opera este observatorio participan cerca de 300 físicos e ingenieros de 48 instituciones en 12 países, bajo el liderazgo de la Universidad de Wisconsin-Madison (EE UU) y con el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias de EE UU.




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Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT ( Very Large Telescope) de ESO, en Chile, y el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, un equipo de astrónomos ha realizado la prueba más precisa hecha hasta el momento de la teoría general de la relatividad de Einstein fuera de la Vía Láctea. La cercana galaxia ESO 325-G004 actúa como una fuerte lente gravitacional, distorsionando la luz que proviene de una galaxia lejana que se encuentra detrás de ella y creando un anillo de Einstein alrededor de su centro. Comparando la masa de ESO 325-G004 con la curvatura del espacio a su alrededor, los astrónomos descubrieron que la gravedad a estas escalas de distancias astronómicas se comporta según lo predicho por la relatividad general. Esto descarta algunas teorías alternativas de la gravedad. 


Dos métodos para medir la masa de una galaxia


Esta infografía compara los dos métodos utilizados para medir la masa de la galaxia ESO 325-G004. El primer método ha utilizado el Very Large Telescope para medir las velocidades de las estrellas de ESO 325-G004. El segundo método ha utilizado el Telescopio Espacial Hubble para observar un anillo de Einstein causado por la luz de una galaxia de fondo que ha sido doblada y distorsionada por ESO 325-G004. Comparando estos dos métodos para medir la fuerza de la gravedad de ESO 325-G004, se ha determinado que la teoría de la relatividad general de Einstein funciona a escala extragaláctica — algo que no había sido probado previamente.Crédito:
ESO, ESA/Hubble, NASA


Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT de ESO, un equipo dirigido por Thomas Collett, de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido) calculó primero la masa de ESO 325-G004 midiendo el movimiento de las estrellas de esta galaxia elíptica cercana.

Collett explica: “Se utilizaron datos del VLT (Very Large Telescope) de Chile para medir cuán rápido se movían las estrellas de ESO 325-G004. Esto permitió inferir cuánta masa debe haber en la galaxia para mantener estas estrellas en órbita”.

Pero el equipo también pudo medir otro aspecto de la gravedad. Usando el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, observaron un anillo de Einstein resultante de la distorsión ejercida por ESO 325-G004 en la luz procedente de una galaxia distante. Observando el anillo, los astrónomos pudieron medir cómo la luz (y, por tanto, el espacio-tiempo), se desvían por la enorme masa de ESO 325-G004.

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que los objetos deforman el espacio-tiempo a su alrededor, haciendo que cualquier luz que pase cerca sea desviada. El resultado es un fenómeno conocido como lente gravitacional. Este efecto sólo es perceptible con objetos muy masivos. Se conocen unas cien lentes gravitacionales fuertes, pero la mayoría están demasiado lejos como para poder medir con precisión su masa. Sin embargo, la galaxia ESO 325-G004 es una de las lentes más cercanas, a apenas 450 millones de años luz de la Tierra.

Collett continúa: “Gracias a MUSE, conocemos la masa de la galaxia en primer plano y, gracias a Hubble, hemos medido la cantidad del efecto de lente gravitacional que vemos. Luego, comparamos estas dos maneras de medir la fuerza de la gravedad y el resultado es justo lo que predice la relatividad general con una incertidumbre de sólo un nueve por ciento. Esta es la prueba más precisa de la relatividad general fuera de la Vía Láctea realizada hasta la fecha. ¡Y utilizando una sola galaxia!”.

La relatividad general ha sido puesta a prueba con exquisita precisión a escalas del Sistema Solar, y se han estudiado con mucho detalle los movimientos de estrellas alrededor del agujero negro del centro de la Vía Láctea, pero previamente no se habían hecho pruebas tan precisas a escalas astronómicas más grandes. Probar las propiedades de largo alcance de la gravedad es de vital importancia para validar nuestro modelo cosmológico actual.

Estos hallazgos pueden tener importantes implicaciones para los modelos de gravedad alternativos a la relatividad general. Estas teorías alternativas predicen que los efectos de la gravedad en la curvatura del espacio-tiempo “dependen de la escala”. Esto significa que la gravedad debería comportarse de manera diferente a escala de grandes distancias astronómicas con respecto a las escalas más pequeñas del Sistema Solar. Collett y su equipo han descubierto que es poco probable que esto sea así, a menos que estas diferencias sólo se produzcan a escalas de distancias de más de 6000 años luz.

“El universo es un lugar increíble que nos proporciona esas lentes que podemos usar como laboratorios”, añade el miembro del equipo Bob Nichol, de la Universidad de Portsmouth. “Es muy satisfactorio utilizar los mejores telescopios del mundo con el objetivo de desafiar a Einstein y averiguar, al final, cuánta razón tenía”.

Diagrama del efecto de lente gravitatoria en galaxias distantes con formación estelar



Este diagrama muestra cómo la luz de galaxias distantes se distorsiona por el efecto gravitatorio de una galaxia más cercana a nosotros, que actúa como una lente y hace que la fuente alejada aparezca distorsionada, pero más brillante, formando característicos anillos de luz, conocidos como anillos de Einstein. Un análisis de la distorsión ha revelado que algunas de las galaxias distantes con formación estelar son tan brillantes como 40 millones de millones de Soles, y han sido aumentadas por la lente gravitatoria más de 22 veces.Crédito:

ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.




ESO
Utilizan el Gran Telescopio Canarias (GTC) para calcular la distancia a la que se encuentra el objeto que emitió el neutrino extremadamente energético detectado el pasado mes de septiembre gracias al experimento “IceCube”, instalado en la Antártida.




Existe un tipo de galaxias que se denominan activas (AGN) de las que, además de la luz de las estrellas que las componen, recibimos radiación en todas las frecuencias del espectro (desde ondas de radio hasta rayos gamma, pasando, por supuesto, por la luz que emiten las estrellas que las componen). Los procesos físicos que tienen lugar en el núcleo de estas galaxias son tan extremos que producen muchas otras partículas altamente energéticas, como es el caso de los neutrinos. Estas son las partículas subatómicas más abundantes en el Universo, que están en todas partes, pero son muy escurridizas. Aunque estén bombardeando constantemente la Tierra, moviéndose tan veloces como la luz, no podemos verlas ni sentirlas. Son partículas “fantasmas” porque casi nunca interaccionan con la materia y, sin embargo, son fundamentales para comprender las leyes de la naturaleza. Detectar neutrinos requiere, por lo tanto, instrumentos especiales, como el experimento IceCube, instalado en el Polo Sur, que utiliza un enorme cubo de hielo, con un tamaño de 1 km de largo, 1 km de ancho y 1 km de profundidad, como sensor para localizar estas partículas.

El 22 de septiembre de 2017, los investigadores de este particular observatorio anunciaron la detección de un neutrino extremadamente energético que procedía de un lugar externo a la Vía Láctea. La noticia se extendió rápidamente provocando una carrera para identificar la fuente responsable de esta emisión, que por la gran energía del neutrino detectado tenía que ser una galaxia activa capaz de emitir rayos gamma. El satélite FERMI y el telescopio MAGIC, instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), fueron los primeros en activarse para buscar fuentes de este tipo de radiación dentro de la región del cielo esperada. Descubrieron que la galaxia activa TXS 0506 + 056 era la responsable de esta emisión y, por primera vez, fue posible asociar la emisión de neutrinos extragalácticos a una fuente conocida. Sin embargo, se desconocía la distancia a la que se encontraba, por lo que todavía no se podía deducir la luminosidad de la fuente, ni los procesos físicos responsables de la emisión de neutrinos.

Para medirla, eran necesarias observaciones espectroscópicas con telescopios "convencionales”, pero todos los intentos fallaron porque su señal era demasiado tenue. De manera que un equipo de investigadores liderado por la astrofísica Simona Paiano, del Observatorio de Padova del INAF (Instituto Nazionale di Astrofisica) y por Riccardo Scarpa, astrónomo del GTC, decidieron observar esta fuente con el mayor telescopio óptico-infrarrojo del mundo, es decir el Gran Telescopio Canarias, en La Palma. Los resultados se han publicado recientemente en la revista The Astrophysical Journal.

"Gracias a la enorme área colectora de luz del GTC, y después de dedicar varias horas de observación, pudimos detectar los rasgos típicos de la emisión del gas de la galaxia, y con ello determinar su distancia", explica Paiano. De esta manera, consiguieron situar a esta galaxia activa a una distancia de 6.000 millones de años luz de la Tierra. "Vimos la débil emisión del gas donde otros no vieron nada, un resultado que no habría sido posible sin la potencia del GTC y la experiencia de su personal", añade Scarpa.

“La asociación fidedigna de una fuente como un emisor de neutrinos de energía extremadamente alta, ubicada a miles de millones de años luz de distancia, abre una nueva ventana en Astronomía para estudiar el Universo de las más altas energías y, lo más importante, utilizar un mensajero que no sea la luz", concluye Simona Paiano.





IAC
Se cumplen tres décadas de la muerte de uno de los científicos más influyentes de todos los tiempos. Recordemos las palabras más interesantes que nos dejó.




Tal vez sólo las personas a las que les interesa verdaderamente el desarrollo científico y el pensamiento escéptico sepan quién fue el neoyorkino Richard Feynman, físico teórico del Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Princeton, ganador del premio Nobel en 1965, al que se conoce sobre todo por su trabajo en mecánica y electrodinámica cuánticas, por formular los principios de la nanotecnología, por su participación en el Proyecto Manhattan para producir la bomba atómica durante la Segunda Guerra Mundial y en la Comisión Rogers, encargada de esclarecer el desastre del transbordador espacial Challenger en 1986, por su obra como divulgador de su área y por su ateísmo declarado.

"Hay que tener la mente abierta, pero no tanto como para que se te caiga el cerebro"

Dos extraños tipos de cáncer, un liposarcoma y una macroglobulinemia de Waldenström, acabaron con su vida el 15 de febrero de 1988, justo tres décadas atrás, y se supone que sus últimas palabras recogidas fueron estas: “No me gustaría morir dos veces; es tan aburrido…”. Pero no son las únicas que nos dejó para el recuerdo en los sesenta y nueve años que estuvo paseando su serena lucidez por el mundo, sino que hay muchas otras suelen citarse y que también circulan por las redes como indicativo de por qué en los resultados de una encuesta de la revista británica Physics World, realizada en 1999, aparece entre los diez físicos más importantes de la historia.

Por ejemplo, algo tan fundamental como lo que va a continuación, que tal vez deberían tatuarse en una zona corporal bien visible todos aquellos que navegan jovialmente por las procelosas aguas de los disparates pseudocientíficos y del pensamiento mágico: “El principio de la ciencia, casi la definición, es el siguiente: «La prueba de todo conocimiento es el experimento». El experimento es el único juez de la verdad científica”. Porque, según él, “hay que tener la mente abierta, pero no tanto como para que se te caiga el cerebro”, y “capacidad experimental, honestidad en la publicación de los resultados e inteligencia para interpretarlos”, pues “hay que demostrar nuestras equivocaciones lo más rápido posible; es la única manera de avanzar”.

 
Lab.CCCB.org 

"Lo que necesitamos es imaginación, pero imaginación encorsetada en la terrible camisa de fuerza que es el conocimiento"

Como defensor insobornable del pensamiento crítico, Feynman sabía que “lo que necesitamos es imaginación, pero imaginación encorsetada en la terrible camisa de fuerza que es el conocimiento”, que “no importa cuán hermosa sea tu conjetura, no importa cuán inteligente seas, quién hiciese la conjetura o cómo se llame. Si no está de acuerdo con el experimento, está mal”. No obstante, desconocía “lo que le pasa a la gente: no aprenden comprendiendo, aprenden de alguna otra forma, por la rutina o de algún otro modo. ¡Qué frágil es su conocimiento!”. Y se demostró capaz de comprender, en una muestra de humildad bien entendida, que “cuando un científico examina problemas no científicos, puede ser tan listo o tan tonto como cualquier prójimo, y de que cuando habla de un asunto no científico, puede sonar igual de ingenuo que cualquier persona no puesta en la materia”.

Si bien no le preocupaba, y como ateo sin la avidez exigente de que le tranquilizasen con maravillas de la revelación religiosa, se pudo tomar la incertidumbre de la vida humana con paradójica sabiduría y sosiego absoluto: “No debo tener una respuesta. No me siento aterrorizado por no conocer cosas, por estar perdido en este misterioso universo sin tener ningún propósito, que es el modo en que la realidad es, hasta donde puedo decir, posiblemente. Esto no me aterra”. Sin embargo, su conocimiento firme tampoco se podía poner en duda: “Para aquellos que no conocen las matemáticas, es difícil sentir la belleza de la naturaleza… Si quieren aprender sobre la naturaleza, apreciar la naturaleza, es necesario aprender el lenguaje en el que habla”.

"La física es a las matemáticas lo que el sexo a la masturbación"

Con una comparación risueña, consideraba por otra parte que “la física es a las matemáticas lo que el sexo a la masturbación”, pues “la física es como el sexo: seguro que da alguna compensación práctica, pero no es por eso por lo que la hacemos”. Y, pese a que el bueno de Feynman se comunicase con la naturaleza casi de tú a tú entonces, no se engañaba al respecto, y decía que “la mecánica cuántica describe la naturaleza como algo absurdo para el sentido común, pero concuerda plenamente con las pruebas experimentales”; y remataba: “Espero que ustedes puedan aceptar la naturaleza tal y como es: absurda”. Porque “las cosas más importantes de la naturaleza parecen ser resultado del azar o de los accidentes”, y “ni siquiera la propia naturaleza sabe qué camino va a seguir un electrón”. 

 
WashingtonPost.com 

"No me parece que este universo fantásticamente maravilloso pueda simplemente ser un escenario para que Dios vea a los seres humanos luchar por el bien y el mal"

Con su mente despejada, dijo sin contemplaciones: “No me parece que este universo fantásticamente maravilloso, esta tremenda gama de tiempo y espacio y diferentes tipos de animales, y todos los distintos planetas, y todos estos átomos con todos sus movimientos, etcétera, todo esto interconectado pueda simplemente ser un escenario para que Dios vea a los seres humanos luchar por el bien y el mal, que es la visión que tiene la religión. El escenario es demasiado grande para el drama”. Y es que “Dios siempre ha sido inventado para explicar misterios. A Dios siempre se lo inventa para explicar esas cosas que no entiendes. Ahora, cuando finalmente descubres cómo funciona algo, obtienes algunas leyes que le estás quitando a Dios; ya no lo necesitas más”.

Desde luego, no se andaba con circunloquios al abordar estas cuestiones. He aquí otro ejemplo pertinente: “La observación que leí en alguna parte, que la ciencia está bien siempre y cuando no ataque a la religión, fue la clave que necesitaba para comprender el problema. Mientras no ataque a la religión, no es necesario prestarle atención y nadie tiene que aprender nada”. Ni al referirse al tratamiento de las ciencias en el arte: “¿Qué hombres son poetas que podrían hablar de Júpiter si fuera un hombre, pero si es una inmensa esfera giratoria de metano y amoníaco deben permanecer en silencio?”. O a la filosofía vital de tres al cuarto: “Una persona habla con tales generalidades que todos pueden entenderlo y se considera una filosofía profunda. Sin embargo, me gustaría ser mucho más especial y ser entendido de una forma honesta, no de una forma vaga”.

“¿Qué hombres son poetas que podrían hablar de Júpiter si fuera un hombre, pero si es una inmensa esfera giratoria de metano y amoníaco deben permanecer en silencio?"

Aunque, “demonios, si pudiera explicárselo a la persona promedio, no hubiera valido la pena el premio Nobel”. Y no eso solamente: “Creo que puedo decir con seguridad”, afirmó un día de asombro público, “que nadie entiende la mecánica cuántica”. Sin embargo, por encima de las dificultades numerosas y de la incomprensión reinante, su compromiso ilustrado no se alteró ni un tanto así: “Es responsabilidad nuestra hacer lo que podamos, aprender lo que podamos, mejorar las soluciones y transmitirlas a nuestros sucesores”, aseguraba. “Es responsabilidad nuestra dejar la manos libres a las generaciones futuras”. Y prosiguió de esta forma: “Es nuestra responsabilidad como científicos, sabiendo el gran progreso que proviene de una filosofía satisfactoria de la ignorancia, el gran progreso que es fruto de la libertad de pensamiento, para proclamar el valor de esta libertad, para enseñar cómo la duda no debe temerse sino ser bienvenida y debatida, y exigir esta libertad como nuestro deber para todas las generaciones venideras”. Las mismas generaciones que, de verdad, estamos y estaremos siempre en deuda con el gran Richard Feynman.



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La materia oscura es cada vez desconcertante. Físicos de todas partes del mundo han estado intentando durante décadas determinar la naturaleza de estas raras partículas de materia, que no emiten ni reflejan radiación electromagnética y que por tanto son indetectables, al menos directamente, para telescopios y radiotelescopios.
 
Imagen en rayos X del cúmulo galáctico de Perseo, a aproximadamente 240 millones de años-luz de la Tierra. La radiación X emitida por las galaxias y los cúmulos galácticos presenta todavía numerosos cabos sueltos para los astrofísicos. Resolver algunos de ellos podría proporcionar pistas sobre la naturaleza de la misteriosa materia oscura. (Foto: NASA)

La existencia de la materia oscura fue sugerida en la década de 1930 para explicar ciertas observaciones astronómicas que parecían imposibles: los movimientos de bastantes objetos astronómicos denotaban la acción de una fuerza de gravedad muy superior a la aportada por la materia normal. Esa masa extra debía por tanto corresponder a materia que no se podía ver en la banda de la luz y en ninguna otra del espectro electromagnético.

 Entre las muchas evidencias de esta "influencia fantasma" cabe citar el movimiento orbital de las estrellas alrededor de los centros de sus respectivas galaxias. Dicho movimiento no concuerda con el calculado a partir de la presencia exclusiva de materia normal y solo se explica con la presencia de materia adicional, la oscura.

Esta misteriosa materia extra escondida, distribuida de un modo que tampoco se corresponde con la simple presencia de agujeros negros convencionales, es la responsable de que las galaxias no se fragmenten en tiras cuando giran sobre sí mismas. En otras palabras, no hay suficiente materia normal en el universo para generar la cantidad de gravedad necesaria para evitar que las galaxias se disgreguen en jirones.

A partir de análisis de esa influencia gravitatoria extra ejercida por la masa de la materia oscura, se ha calculado qué porcentaje de la masa del universo es aportado por la materia normal y cuál es por tanto atribuible a la oscura. La materia normal, como la que da forma a las estrellas y la Tierra, constituye aproximadamente el 15 por ciento de toda la materia del universo. Así pues, la materia oscura debe representar el 85 por ciento restante. Pero hasta la fecha, y a pesar de las exhaustivas investigaciones realizadas, todavía no se ha conseguido identificar a las partículas constituyentes.

El equipo de Joachim Kopp, de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, en Alemania, presenta ahora una teoría novedosa sobre la materia oscura, que implica que sus partículas podrían ser muy distintas de lo que se ha venido creyendo. Concretamente, las partículas de materia oscura serían muy ligeras, casi cien veces más que los electrones, en marcado contraste con los numerosos modelos convencionales según los cuales las partículas de materia oscura son muy pesadas.

Entre las candidatas favoritas a partícula de la materia oscura destacan las llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMPs por sus siglas en inglés). La comunidad científica las está buscando en el laboratorio subterráneo italiano del Gran Sasso, por ejemplo. Pero en los últimos tiempos, aumentan año tras año los indicios de que es improbable que las WIMPs sean candidatas viables a partículas de la materia oscura. Parece pues que hay que comenzar a considerar otras alternativas, tal como subraya el profesor Kopp, y estas probablemente se ajusten más al mencionado retrato robot de una partícula casi cien veces más ligera que el electrón.



NCYT


Por primera vez, un equipo de científicos ha calculado cuánta energía se transfiere de escalas mayores a menores dentro de la envoltura magnética, la región que separa el viento solar de la burbuja magnética que protege nuestro planeta. A partir de datos recogidos durante años por las misiones Cluster, de la ESA, y THEMIS, de la NASA, el estudio ha mostrado el papel clave de la turbulencia, que hace que el proceso resulte cien veces más eficiente que en el viento solar.

Los planetas del Sistema Solar, incluida la Tierra, se encuentran bañados por el viento solar, un caudal supersónico de partículas altamente energéticas que el Sol libera de forma incesante. Nuestro planeta y algunos otros se desmarcan frente a este flujo continuo de partículas al contar con su propio campo magnético, que los protege de la energía arrolladora del viento solar.

Precisamente la interacción entre el campo magnético de la Tierra y el viento solar es lo que crea la estructura de la magnetosfera, la burbuja protectora que blinda a nuestro planeta frente a la inmensa mayoría de las partículas de viento solar.

Hasta la fecha, los científicos han conseguido comprender bastante bien los procesos físicos que se producen en el plasma de viento solar y en la magnetosfera. En cambio, aún se desconocen aspectos importantes sobre la relación entre estos dos entornos y sobre la turbulenta región que los separa, conocida como la envoltura magnética, y donde se sospecha que tiene lugar la mayor parte de la acción y la más interesante.

“Para saber cómo se transfiere la energía del viento solar a la magnetosfera, tenemos que entender lo que sucede en la envoltura magnética, el ‘área gris’ situada entre ellos”, señala Lina Zafer Hadid, del Instituto Sueco de Física Espacial de Uppsala (Suecia).

Lina es la autora principal de un nuevo estudio que, por primera vez, cuantifica el papel de la turbulencia en la envoltura magnética. Estos resultados se publicaron ayer en Physical Review Letters.

“Sabemos que la turbulencia contribuye a que, en el viento solar, la energía se disipe de grandes escalas, de cientos de miles de kilómetros, a escalas menores, de un kilómetro, donde las partículas de plasma se calientan y aceleran a energías superiores”, explica Fouad Sahraoui, del Laboratorio de Física del Plasma francés y coautor del estudio.

“Sospechábamos que en la envoltura magnética debía de producirse un mecanismo similar, pero no habíamos podido comprobarlo hasta ahora”.

Energy cascade in turbulent plasma

El plasma de la envoltura magnética es más turbulento, contiene una mayor cantidad de fluctuaciones de densidad y puede comprimirse mucho más que el viento solar. Como tal, resulta sustancialmente más complejo y hasta hace pocos años no se había logrado desarrollar el marco teórico para estudiar los procesos físicos que tienen lugar en un entorno así.

Lina, Fouad y sus colaboradores examinaron un enorme volumen de datos recopilados entre 2007 y 2011 por las cuatro naves de Cluster y dos de las cinco naves de THEMIS, que vuelan en formación a través del entorno magnético de la Tierra.

Al aplicar las herramientas teóricas recientemente desarrolladas a su muestra de datos, les esperaba una gran sorpresa:

“Descubrimos que las fluctuaciones magnéticas y de densidad causadas por la turbulencia en la envoltura magnética incrementan la velocidad a la que la energía pasa de escalas mayores a menores al menos cien veces con respecto a lo observado en el viento solar”, explica Lina.

El nuevo estudio muestra que en esta región del entorno magnético de la Tierra se transfieren unos 10-13 J de energía por metro cúbico cada segundo.

“Esperábamos que la turbulencia compresible tuviera un impacto en la transferencia de energía en el plasma de la envoltura magnética, pero no que fuera tan importante”, añade.

Además, los científicos fueron capaces de derivar una correlación empírica que asocia la velocidad a la que se disipa la energía en la envoltura magnética con la cuarta potencia de otra cantidad utilizada en el movimiento de los fluidos: el número de Mach. Esta medida, que toma el nombre del físico austriaco Ernst Mach, cuantifica la velocidad de las fluctuaciones en un flujo con respecto a la velocidad del sonido en ese fluido, indicando si se trata de un flujo subsónico o supersónico.

Mientras que la velocidad de transferencia de energía es difícil de determinar a menos que se utilicen sondas espaciales con mediciones in situ, como hacen las naves de Cluster al muestrear el plasma que rodea la Tierra, el número de Mach se puede calcular de manera más sencilla, utilizando observaciones remotas de una variedad de plasma astrofísico más allá de nuestro planeta.

“Si esta relación empírica resulta ser universal, será muy útil para explorar el plasma cósmico que no puede muestrearse directamente con astronaves, como el medio interestelar que se extiende por nuestra Vía Láctea y otras galaxias”, afirma Fouad.

Los científicos están deseando comparar sus resultados con las mediciones del plasma que rodea otros planetas del Sistema Solar con un campo magnético intrínseco, por ejemplo con la misión Juno de la NASA, que se encuentra en Júpiter, y el futuro Explorador de las Lunas de Hielo de Júpiter de la ESA, así como con la misión conjunta de la ESA y la JAXA a Mercurio, BepiColombo, cuyo lanzamiento está previsto para este mismo año.

“Es emocionante pensar que un estudio basado en varios años de datos de Cluster haya dado con la clave para resolver una cuestión de la física del plasma importante y pendiente desde hace mucho tiempo”, reconoce Philippe Escoubet, científico del proyecto Cluster de la ESA.


esa



Investigadores de la Universidad de Granada (España) han medido las correlaciones de corto alcance entre protones y neutrones, obteniendo información directa acerca de la fuerza nuclear a esas cortas distancias. Para ello han utilizado un nuevo método que analiza las rápidas vibraciones cuánticas de los protones y neutrones en el interior del núcleo.

Representación artística de las correlaciones de corto alcance en una colisión neutrón-protón. Las flechas representan el espín. (Foto: UGR)


Este fenómeno ha sido popularmente bautizado como “protones y neutrones enamorados” por los investigadores del Grupo de Física Hadrónica del Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la Universidad de Granada (UGR) que han estado al frente de este proyecto, junto al laboratorio Lawrence Livermore de California (Estados Unidos).

Según explica José Enrique Amaro Soriano, catedrático del departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la UGR, “en astrofísica es crucial conocer la ecuación de estado de la materia (la energía en función de la densidad) para las altas densidades existentes en el interior de las estrellas de neutrones y otros objetos estelares densos. A tan altas densidades las correlaciones de corto alcance entre protones y neutrones pueden tener un efecto crucial en la evolución de la estrella”.

Las repercusiones en física nuclear también son múltiples. El estudio de las correlaciones de corto alcance permite obtener información directa acerca de la fuerza nuclear a  cortas distancias, que no se conoce en detalle. Ya se han hecho experimentos en el acelerador JLAB en Virginia (Estados Unidos) para observar estos protones de alta velocidad.

El efecto está relacionado, por otra parte, con el entrelazamiento cuántico, base de una tecnología en auge como es la computación cuántica. “Si alguna vez se desarrolla un ordenador cuántico nuclear, habría que tener en cuenta el efecto de las correlaciones de corto alcance”, afirma el catedrático José Enrique Amaro Soriano.

Los núcleos atómicos son los componentes fundamentales de la materia. Son objetos diminutos conteniendo un conglomerado de partículas, protones y neutrones, fuertemente unidas. La fuerza de unión es tan potente que para despegar un protón o un neutrón se deberían alcanzar temperaturas de millones de grados, típicas del interior de una estrella masiva.

Estas partículas, denominadas nucleones (nombre colectivo para neutrones y protones), se encuentran en movimiento en el núcleo, con velocidades que normalmente no llegan a 700.00 kilómetros por segundo, menores que el 25% de la velocidad de la luz. Todo ello de acuerdo con el principio de incertidumbre de la física cuántica, ya que las velocidades de las partículas confinadas aumentan al disminuir el tamaño de la región de confinamiento.

Debido a la fuerza nuclear, dos nucleones pueden encontrarse de frente y chocar de manera violenta, adquiriendo velocidades muy superiores, que pueden alcanzar el 70% de la velocidad de la luz, casi triplicando su velocidad máxima. José Enrique Amaro realiza la siguiente comparativa: “este hecho puede parecer sorprendente si pensamos en la siguiente analogía, sería como si dos coches a 100 km/h chocaran de frente y, durante el choque, sus velocidades aumentaran hasta 300 km/h”.
 
La investigación del Grupo de Física Hadrónica de la Universidad de Granada confirma la dominancia de las correlaciones de alta velocidad entre pares protón-neutrón (pn) frente a los pares protón-protón (pp). Esta dominancia es del orden de 18 veces mayor. El trabajo ha sido publicado en la prestigiosa revista especializada Physical Review C de la Sociedad Americana de Física.

También se ha confirmado que esta dominacia de protón-neutrón sobre protón-protón está producida fundamentalmente por la denominada “fuerza tensorial”. Esta es una fuerza nuclear que no actúa a lo largo de la línea ficticia que uniría a las dos partículas. La fuerza tensorial aparece sólo entre partículas de espín 1/2 y es similar a la fuerza entre dos imanes, que depende de la orientación de sus polos N y S. Sin embargo, mientras que en la fuerza magnética polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen, en la fuerza nuclear ocurre justo al contrario.

En este proyecto se ha utilizado la representación de la fuerza nuclear más precisa hasta la fecha, que se desarrolló recientemente dentro del mismo grupo de investigación de la UGR. La interacción nuclear de Granada ha permitido resolver de forma novedosa, y con un método muy sencillo, la ecuación que describe el choque de dos nucleones en el interior de un núcleo, que fue propuesta por los físicos H. Bethe y J. Goldstone en los años 50. 



Universidad de Granada

El agua por debajo de cero grados y líquida existe, desde luego. ¿Pero a menos cuarenta y tres grados centígrados? Eso ha comprobado un equipo del CSIC desarrollando una nueva técnica físico-química.




El agua es una sustancia muy especial. Todos lo sabemos aunque pocos son conscientes de hasta qué punto este compuesto se comporta de manera sorprendente. Porque el líquido elemento, lejos de ser "normal", es bastante caprichoso en ciertas condiciones; mostrando propiedades imposibles para otros líquidos. La última de sus excentricidades consiste en no congelarse cuando debería. 

Agua subfría

Todos sabemos que el agua a menos de cero grados centígrados se congela. Pero, ¿y si no fuera así? Esto mismo es lo que llevan barajando numerosos científicos durante mucho tiempo. ¿Cúanto se puede enfriar el agua sin que se congele? Esta pregunta no es baladí. Porque su respuesta está relacionada con el hecho de ser tan importante para la vida.

Cuando bajamos tanto la temperatura del agua que la volvemos terriblemente fría, sin que llegue a congelarse, hablamos de agua subenfriada. Pero ¿hasta dónde podemos alcanzar? Un equipo de liderado por el CSIC ha conseguido bajar la temperatura del agua por debajo de los cuarenta grados bajo cero. En concreto a menos cuarenta y tres grados.

Para ello han empleado agua muy pura y batido el récord de agua subfría del mundo, tal y como presentan en Physical Review Letters. La técnica empleada ha consistido en preparar una fila muy uniforme de gotas diminutas, dentro de una cámara de vacío. Estas se "lanzan" a una velocidad de setenta y dos kilómetros por hora y se enfrían rápidamente por evaporación superficial.
 

"Para determinar si las gotas seguían siendo líquidas o se habían congelado, las iluminamos con un haz láser focalizado, y analizamos espectralmente la luz dispersa por ellas”, explicaba para la prensa José María Fernández, investigador del CSIC, en el Instituto de Estructura de la Materia.

Una de las cosas más interesantes de esta técnica para producir agua subenfriada es que se puede emplear en otros experimentos para su determinación estructural o para medir con precisión su temperatura. ¿Y qué ha llevado a estos científicos a "jugar" con el agua a tan baja temperatura? La respuesta está en sus increíbles propiedades. 

Ese excéntrico líquido

Como ya hemos dicho, el agua tiene unas propiedades consideradas anómalas. Por ejemplo, su densidad, es máxima a los cuatro grados centígrados y su forma sólida, el hielo, es menos densa que el líquido. Por eso este flota sobre el agua y no al revés, como ocurre con el resto de líquidos. El agua tiene una gran cantidad de propiedades anómalas

Esta propiedad, entre otras, es muy importante para la vida. Para empezar, gracias a esto se preserva la vida en el fondo de los lagos helados. Pero aún más importante es el hecho de que se mantengan los casquetes polares a flote, sin modificar el volumen de los mares y afectando al clima global de una manera incuestionable.

Otra de estas "excentricidades" del agua es su capacidad calorífica, es decir, la cantidad de energía necesaria para cambiar su temperatura. Esta se acentúa cuando el agua se enfría por debajo del punto de congelación, algo que resulta único también. Con todo ello, ¿por qué sorprendernos al ver que el agua no se congela cuando está a menos cuarenta y tres grados? 

¿Por qué no se congela el agua?

La razón para que no se congele, al igual que el resto de propiedades extrañas, está en su composición físico-química. En concreto, en los puentes de hidrógeno. La molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Esto le confiere una característica muy especial: es una molécula bipolar. Cada molécula de agua puede comportarse como si fuera una especie de imán molecular

Esto quiere decir que cada una de estas moléculas puede comportarse como si fuera una especie de imán molecular, con una carga positiva a un lado y otra negativa al otro. Permitiendo que se formen unos enlaces efímeros conocidos como puentes de hidrógeno que, básicamente, son una fuerza electrostática, débil pero muy importante en la naturaleza.

“El origen de las anomalía se achaca a la peculiar estructura de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua", explica Fernández, pero no se dispone de una explicación detallada a nivel molecular", afirma. Lo que sí sabemos es que las moléculas de H2O en su estado líquido o sólido se enlazan entre sí formando una red tridimensional. 

 
La tensión superficial ayuda a que la gota de agua no "colme" la moneda. Autoras: Aránzazu Carnero Tallón y Mª de los Ángeles de Andrés Laguillo. Fuente: FOTCIENCIA.

Para entender mejor qué pasa en dicha red, una manera de ahondar en este conocimiento es estudiar la estructura del agua líquida subenfriada. “Cuanto más se enfría el agua por debajo de cero grados, más inestable se vuelve respecto a su conversión en hielo, por eso el agua profundamente subenfriada es tan inaccesible”, comenta el investigador del CSIC.

Gracias a su técnica, ahora podemos medir el agua líquida con una precisión de +/- 0,6ºC. Pero, además, ahora estamos más cerca de comprender mejor al elemento al que le debemos la vida en nuestro planeta. ¿Qué nuevos misterios nos mostrará este líquido sin igual?



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