#40 De dónde venimos y hacia dónde vamos. Parte I

Este artículo es en realidad parte de un ensayo, un intento de reflexionar sobre qué somos los seres humanos, cuál es nuestro papel dentro del enorme sistema que es el Universo, dentro del conjunto los seres vivos, ubicarnos en nuestra propia historia y tratar de comprender de dónde venimos y hacia dónde vamos, entender por qué somos como somos y por qué eventualmente deberemos abandonar la comodidad de nuestro planeta y colonizar la última frontera, el espacio, si queremos tener alguna posibilidad de sobrevivir a largo plazo. Iré publicando el resto del ensayo en partes. Les dejo con la primera.

Somos una especie exploradora. Desde que se tiene memoria han habido individuos que se han lanzado a lo desconocido sin garantías de éxito e incluso sabiendo que no había boleto de regreso. Nuestros ancestros abandonaron África hace decenas de miles de años y terminaron poblando casi toda la tierra firme, con excepción de la Antártida.

El explorador noruego  Roald Amundsen en 1911. Líder de la primera expedición de seres humanos que lograron llegar con éxito al polo sur geográfico. La Antártida, especialmente para la gente de la época, era un territorio frío, yermo, sin riquezas que explotar ni condiciones para vivir permanentemente y prosperar en ella. ¿Qué pudo impulsar a un puñado de humanos a aventurarse en el ambiente más inhóspito conocido a sabiendas de que habían muchas probabilidades de perder la vida en la empresa? (http://photoblog.nbcnews.com/_news/2011/12/14/9442843-roald-amundsens-south-pole-feat-remembered-100-years-on)

¿A qué se debe este fenómeno? Probablemente a muchas cosas, búsqueda de alimento, cambios climáticos, guerras e incluso simple curiosidad, fascinación por lo desconocido, saber qué hay detrás de la siguiente montaña. ¿Pero por qué hemos tenido tanto éxito en estos viajes a larga distancia? La respuesta, como tantas otras sobre la naturaleza humana, parece estar en la evolución y la genética, la naturaleza molecular de la vida.

Todos los seres vivos conocidos sobre la Tierra estamos emparentados, todos somos primos, todos descendemos de un único ancestro. Los árboles, las hormigas, los peces, los insectos, las bacterias, los humanos e incluso los virus (sean seres vivos o no) descendemos de un único antecesor, que los biólogos llaman LUCA (Último Antepasado Común Universal, por sus siglas en inglés).  ¿Qué era LUCA? Probablemente poco más que una cadena de nucleótidos, que son pequeñas moléculas orgánicas, y tal vez protegida por una membrana. Pero esa sencilla máquina molecular primitiva tenía algo especial, esa cadena de moléculas codificaba información según  el orden en que estas estuvieran colocadas. LUCA tenía la capacidad de codificar la receta de diferentes sustancias químicas, las proteínas que eventualmente formaban estructuras alrededor de esa cadena de nucleótidos. Pero lo más importante es que esta cadena de átomos, de moléculas, se replicaba, agarrando otras sustancias orgánicas y nucleótidos disueltos en el ambiente (probablemente agua), hacía copias de si misma, LUCA, una máquina química, se reproducía, como los seres vivos.

¿Cómo llego a ser posible esto? realmente por puro azar, los átomos responden a las fuerzas de los campos electromagnéticos de otros átomos y a la mecánica cuántica. Estas dos cosas determinan en última instancia cómo los átomos interaccionan unos con otros, cómo se atraen y se repelen, cómo forman enlaces entre si, dando origen a moléculas  y como se rompen estos enlaces, esto señoras y señores es la química. 

Dadas las condiciones de la Tierra primitiva, muy diferentes a las actuales y los ingredientes necesarios: sustancias orgánicas y agua provenientes de los muchos choques de cometas y meteoritos que sufrió la Tierra en sus inicios, el llamado caldo primordial, más descargas eléctricas de rayos y posiblemente algo de luz ultravioleta intensa emitida por el entonces también joven Sol, se formaron estas cadenas de nucleótidos que culminaron con la existencia de LUCA.

Representación artísitica de la Tierra primitiva en la que debió surgir LUCA. Un mundo muy diferente al actual con una atmósfera sin oxígeno apenas, y una enorme actividad volcánica. (http://www.astrobio.net/pressrelease/5438/the-power-behind-the-primordial-soup).

LUCA es hipotético, obviamente, nadie lo ha encontrado (y seguramente nunca ocurra) ni a él, ni a sus restos físicos. ¿Entonces cómo sabemos que existió? La respuesta es el código genético. El código genético es la forma, o el idioma  en que esa cadena de aminoácidos de LUCA contenía las instrucciones para fabricar las proteínas. Es un código muy simple, cuatro nuecleótidos, Adenina, Guanina, Citosina y Uracilo, formando una cadena conocida como Ácido Ribonucleico o ARN. Es la etapa de la historia de la vida que los biólogos llaman "mundo ARN".

 Eventualmente otro ancestro descendiente de LUCA mutó ligeramente su código genético y en lugar de Uracilo usó el aminoácido Timina, que químicamente es muy parecido al Uracilo, por tanto el código genético no se vio afectado, y dando lugar a un nuevo tipo de molécula conocida como Ácido Desoxirribonucleico o ADN la cual necesita mecanismos moleculares complejos para copiarse  si misma y que recurre al ARN para sintetizar proteínas, pero que es una forma mucho más segura de proteger la información de errores de copiado que el ARN en si. Actualmente todos los seres vivos conocidos usamos el ADN para almacenar nuestra información genética. Las proteínas son las sustancias principales que forman a los seres vivos, forman la estructura de la membrana celular, de todo nuestro cuerpo y además regulan las funciones fisiológicas, incluyendo las cognitivas y reproductivas. Somos proteína.

Representación cadenas de ARN (RNA) y ADN (DNA). Las cadenas de ADN se pueden organizar en forma de doble hélice, esto es dos cadenas complementarias que contienen la misma información genética para sintetizar proteinas, por tanto una forma más segura para proteger la información de los errores al copiarse que la del ARN, que solo tiene una cadena. A los lados de ambas se puede ver la representación química de los nucleótidos que las forman. El orden en que estos nucleótidos se organizan, da las instrucciones en de cómo se deben organizar los aminoácidos para sintetizar una proteína específica. (Tomado de Wikimedia Commons).

Es por ello que sabemos que todos los habitantes de este planeta provenimos de un único individuo de hace unos cuatro mil millones de años, todos compartimos el mismo código genético, todos los animales, hongos, plantas, bacterias y virus usamos el mismo conjunto de instrucciones para sintetizar nuestras proteínas. Todos somos parientes. Cuando algunas creencias mitológicas ancestrales (y no tanto) dicen que somos hermanos de los seres vivos, no podían imaginar la manera tan profunda y antigua en que esto es cierto.

Nuestro código genético no es el único que permiten las leyes de la física y la química, podría incluso estar basado en sustancias diferentes al carbono, como el silicio, y sin embargo, absolutamente toda la vida que conocemos comparte el mismo código genético, todos descendemos de LUCA. ¿Por qué? ¿Es posible que surgieran otras formas de vida basadas en otro código genético diferente al nuestro? Es posible, totalmente. ¿Por qué solo los descendientes de LUCA prevalecieron? La respuesta a esta pregunta se encuentra, probablemente en la famosa teoría de la evolución.

Lo cual será el tema de la siguiente entrada.

#39 Rincon del Friki: Star Trek, la gravedad y la Luna

Esta entrada será diferente a las otras, en vez de hablar de una noticia de actualidad científica, el Rincon del Friki tratará acerca de la buena pero sobretodo de la mala ciencia de series, peliculas y videojuegos. Así que hoy inauguramos nueva sección.

En una vieja entrada (aquí) ya comentaba como me fascina la ciencia ficción. Y si de ciencia ficción hablamos la serie por excelencia es Star Trek. ¿Qué tiene Star Trek que ha influenciado generaciones de, no solo frikis, si no ademas de científicos? Se trata de una franquicia que se toma la ciencia muy en serio,

una sociedad humana enfocada a la busqueda de la verdad científica, al descubrimiento del universo y las consecuencias que esto trae sobre la vida de nuestra especie. Me gusta mucho que nunca se demoniza la curiosidad (como suele pasar en muchas otras obras, p.e. Frankenstein), sino todo lo contrario. La ciencia salva a la Enterprise al final de todos los episodios, ya sea por un ingenioso plan de Scotty para invertir los generadores de flujo warp para sobrealimentar con energía a alguna pervertida criatura del espacio, algún plan de Spock para telestransportar contenedores modificados a la nave del villano de turno y hacerla explotar, ó el propio Kirk para crear una implosión en el espacio que los aleje de un agujero negro artificial creado originalmente para destruir algún importante planeta de la confederación. Y aunque a usted le parezca completamente descabellado cada uno de estos planes, que en gran pantalla parecen tan ingeniosos que no pueden fallar, la noción de que existe una "ciencia" (nuestra ciencia) apoyando a la tripulación más intrépida de la Galaxia es lo que ha acercado a miles de personas a descubrir la "verdadera" ciencia y convertirse científicos e ingenieros en el mundo real.

Dicha esta introducción, vamos a lo que vamos. En esta entrada hablaremos del punto débil de casi todas las películas que tratan de viajes espaciales: esto es la gravedad. La gravedad es una fuerza tan simple que mucha gente tiene nociones completamente equivocadas de ella. Ya alguna vez comenté (aquí) que Newton logró demostrar que una fuerza de la forma:

debería conducir a los objetos a trazar órbitas elípticas, del tipo que Kepler había descubierto que trazaban los planetas. Un objeto que se encuentra orbitando, en realidad está cayendo. Esto suena descabellado, la Luna no "cae" hacia la Tierra, podría pensar usted. Lo que pasa en estos casos es que la caída del objeto se ve afectada por la curvatura de la Tierra. Mirémoslo de esta forma, si usted lanza un objeto, una pelota por ejemplo, esta trazara una trayectoria parabólica. Mientras más fuerza utilice, el objeto llegara más lejos. Existe una velocidad de lanzamiento con la cual el objeto llegará tan lejos que al caer no encontrará el suelo, ya que al ser esférica la Tierra, la trayectoria de la parábola y la curvatura de nuestro planeta coincidirán. Entonces decimos que el objeto esta en órbita.

Tiro de un proyectil. Mientras mayor sea la velocidad de lanzamiento, más lejos llegará.

Después de una cierta velociad, el objeto llegará tan lejos que nunca terminara de caer debido a la curvatura de la Tierra

Si el objeto no está en órbita, entonces la fuerza de atracción gravitatoria provocará que el objeto "caiga", ahora si, de forma directa hacia la Tierra. Esto es lo que llamamos "caída libre". La genialidad de Newton fue descubrir que el movimiento orbital y la caída libre se regían por la misma ecuación, la ecuación de la gravitación universal de arriba. Esto es lo que pasa con la Enterprise cuando es atacada y obligada a salir de la velocidad warp en la nueva película de la franquicia: Into Darkness. La película nos da el dato más importante, la distancia a la Tierra (r en la ecuación de Newton). Si las lecturas de la nave no fallaban, esta distancia era de 273 000 km que es aproximadamente tres cuartas partes de la distancia que separa a la Tierra de la Luna (aunque la Luna se ve bastante más grande, pero de eso hablaremos en un momento). Debido al intenso ataque del USS Vengeance (la maligna nave del almirante Alexander Marcus) el generador warp de la Enterprise se desalinea y la nave pierde energía para contrarrestar la fuerza gravitatoria de la Tierra. La escena dura 10 minutos desde que los motores de sustento de la nave quedan inhabilitados y el capitán Kirk, en una frenética y emocionante carrera logra alinear el motor warp y salvar por pocos segundos a la Enterprise de estrellarse contra la Tierra. Para ese momento la nave ya se encuentra dentro de la atmósfera terrestre, y supongo yo a algunas pocas decenas de kilometros de la superficie. Claro, con un dramático desenlace para el heróico Kirk.

¿Qué tiene de malo esta escena si acabamos de decir que un objeto que no esta en orbita caera directamente contra la Tierra? Primero, la Enterprise no está en órbita, y esto es creíble porque la nave fue forzada (a punta de cañonazos) a salir de velocidad warp, sin darles oportunidad de "nivelar" los parámetros orbitales como la velocidad y altura deseada. Luego, cuando los motores se apagan, la nave simplemente cae. Esto es, estamos completamente seguros que la nave no esta en órbita. El problema surge de que a una altura de 273 000 km sobre la superficie, la aceleración de la gravedad que sabemos por nuestras clases de secundaria y preparatoria que tiene un valor de 9.8 m/s^2 sobre la superficie, es de 0.005 m/s^2 a esa altura, simplemente eso quiere decir que la nave apenas caería 30 km en una hora, y no los miles que lo separan de la Tierra. Claro, mientras más se acerca a la Tierra, la aceleración aumenta, así que habrá que tomar en cuenta el cambio de esta aceleración de acuerdo a la ecuación de Newton. En un ejercicio muy sano, he logrado generar la siguiente gráfica que nos muestra el tiempo que le toma en caer contra la distancia hacia la superficie. Este tiempo es menor si consideramos a la Luna (y en la peli, la Luna se ve muy cerca, a pesar que les separa una distancia de 100 000 km). La Luna ejercerá una fuerza que atraerá a la Enterprise en dirección contraria a la de la Tierra, pero al ser la masa de esta mayor, al final la fuerza de la Tierra ganará. La gráfica derecha ignora la Luna, mientras que la izquierda la considera.

En ambos casos los tiempos de caida libre son de 1.28 días para el sistema Tierra-Enterprise y 1.27 días considerando la Luna dentro de los calculos. Esto es más de un día completo para llegar al motor warp, ponerse un traje antiradiación y alinear el generador sin correr peligro a exposición peligrosa de la radiación. Esto me lleva a lo siguiente con lo que no estoy de acuerdo. Veamos la siguiente imagen con la distancia a escala entre la Tierra y la Luna:

Esto es a una distancia de 384 400 km, sin embargo la Enterprise se encontraba a 111 400 km, aproximadamente una cuarta parte de esta distancia hacia la Luna. A esta distancia la Luna se veía sumamente imponente a un costado de la nave, pero resulta que en realidad a esta distancia la Luna no se extendería más allá de dos grados en el cielo. Esto es el tamaño de una moneda si la extendiéramos a una distancia de un brazo con respecto a nosotros. Para poner en perspectiva, la Luna a nuestra distancia subtiende medio grado en el cielo. Si estuviéramos a la distancia de la Enterprise, solo se vería cuatro veces más grande, lo que es mucho mayor, pero no como para poder observarla tal y como aparece en la película.

Con esto me gustaría cerrar la entrada de hoy. No quiero dar la noción de que no me gustó la película. Como suele suceder, entender qué esta mal en una película nos enriquece como personas. Si en un principio no me hubiera interesado, no me habría preocupado por generar todos los cálculos. Como diría Spock, Larga y Próspera vida...

#38 Kepler RIP

Lo que sigue es un resumen de la noticia que puede leer por aquí.

Kepler es un telescopio espacial de 1.4 metros, cuyo principal objetivo es la búsqueda de planetas extrasolares a partir de las curvas de luz de las estrellas que observa (por ejemplo aquí). Este objetivo era logrado a través de un complejo sistema que permite al telescopio observar regiones con una gran precisión tanto en brillo como en posición. Para este fin contaba con sistemas de giroscopios que eran accionados por cuatro "ruedas" que orientaban al telescopio. Para su correcta orientación tres de las cuatro ruedas eran necesarias. En Julio del año pasado una de estas ruedas se dañó. La segunda rueda se dañó la semana pasada (escribo esto en 26/05/2013), por lo que la misión prácticamente se ha dado por perdida. Sin un sistema de giroscopios que orienten la nave, los científicos a cargo son incapaces de controlar la dirección en la cual apunta el telescopio. 

Las ruedas de la misión Kepler instaladas en la nave (en negro).

Curiosamente las ruedas del tipo que se han usado en esta misión han fallado en otras ocasiones, o han sido en algún punto poco fiables para ser usadas. "Reconocemos que las ruedas han tenido una historia bastante accidentada", dice William Borucki, científico espacial del Ames Research Center en Campo Moffett , California, y principal investigador de la misión Kepler. En 2001, las ruedas del Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer de la NASA tuvieron un fallo semejante, mientras que la misión japonesa Hayabusa presento fallos en 2004 y 2005. El sistema de ruedas del TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere Energetics and Dynamics de la NASA) presento una experiencia similar en 2007, y la misión de la agencia Dawn sufrió fallos en 2010 y 2012.

Los ingenieros de la NASA tenían el conocimiento de los fallos en este tipo de ruedas antes de lanzar la misión Kepler al espacio, en 2007, como nos lo hace saber John Troeltzsch, ingeniero en jefe del programa Kepler de Ball Aerospace en Boulder, Colorado. "Nos dimos cuenta de cuán serio (era este problema) ha finales de 2007", nos dice. Para entonces la misión estaba a punto de lanzarse y resultaba inviable realizar ajustes para intentar corregir las fallas debido en parte al alto costo de estos y a que la misión ya se había pospuesto en dos ocasiones anteriores. A pesar de esto, las ruedas fueron re-examinadas y algunos ajustes de último minuto para evitar futuras complicaciones fueron realizados. Troeltzsch dijo, "La valoración fue que los cambios prevendrían la ocurrencia del tipo de problemas que habían sucedido en ocasiones pasadas".

Tras el fallo de las dos ruedas, capaces de llegar a entre 1000 y 4000 revoluciones por minuto, la nave ha entrado en "modo seguro", mientras el debate de cuáles deberían ser los pasos a seguir se abre. Por lo pronto, no parece viable una misión de rescate que reemplace las ruedas, con lo cual "La ciencia que estábamos haciendo con Kepler, tal y como la estábamos haciendo, ha acabado", nos dice Troeltzsch.

La gráfica muestra la el período de la órbita de los exoplanetas descubiertos por Kepler contra  su tamaño.

La misión Kepler inició en 2009, tuvo un costo de US$600 millones y lograba discernir una fluctuación en 10 partes por millón de la luz de una estrella para poder identificar eclipses debidos a planetas. Kepler descubrió más de 2700 candidatos a planetas extrasolares, mientras que confirmó 63 sistemas tanto en tamaño como en órbita. Se esperaba que la misión acabara en 2016.

#37 El origen de las unidades de medida. (Parte III: La edad media.)

Continuamos nuestro viaje para conocer las unidades de medida que utilizamos para describir nuestro mundo y para darle sentido a tantas cosas en la vida, empezando por la economía. En Nicaragua al igual que en otras partes de América Latina, a pesar de los diversos esfuerzos de los gobiernos por estandarizar el uso del Sistema Internacional de unidades de medida (del cual hablaremos en una entrega futura) es común encontrarse con unidades de medida de un origen muy diverso. Encontramos unidades de medida del Sistema Internacional o sus derivadas como el litro en las botellas de bebidas y el centímetro (derivado del metro) conviviendo con unidades provenientes del Sistema Imperial (o Sistema Inglés) como la pulgada, la yarda, el galón, o la libra. Así mismo curiosamente también conservamos en uso unidades de medida de origen medieval europeo heredadas de la colonia española que en el mismo continente europeo han pasado al olvido desde el siglo XIX. En la entrada de hoy aprenderemos sobre este último interesante grupo.

Recreación de un mercado medieval en Óbidos, Portugal. (Foto: http://www.cuenta-atras.com/media/uploads/ImagenesOfertas/minhotour/obidos-cuenta-atras/)

En la edad media europea no existía una regulación general sobre las unidades de medida, pues como vimos en una entrega anterior, al caer el Imperio Romano se perdieron gran parte de las unidades de medida que se habían logrado estandarizar. En la Europa medieval (Y también se puede aplicar al Norte de África, Oriente Medio y Asia Occidental pues había intercambio comercial fluido entre todas estas regiones) cada ciudad (llamada también villa) tenía sus propios patrones que diferían de los de otras ciudades. Esto podía ser un gran problema para los comerciantes. Para ayudarles en su trabajo, a la entrada de cada ciudad y puerto comercial, y con más frecuencia en la plaza del mercado de la villa, en una pared solían haber a su disposición unas muestras de los patrones utilizados en dicha ciudad para que los usaran como referencia. Por ejemplo en esta foto vemos la vara, unidad de medida de longitud de la cual proviene la vara que utilizamos actualmente en Nicaragua. Esta de la fotografía corresponde a la utilizada en la villa de Jaca así como en todas las villas bajo su dominio o gobierno, en el antiguo reino de Aragón (actual España) . La de la fotografía se encuentra en la catedral de la villa.

Patrón de una vara medieval en una pared de la catedral de la villa de Jaca en España. (Foto: Wikimedia Commons)

Los comerciantes y los oficiales a cargo de velar que no se cometieran fraudes en los mercados realizaban copias en madera o metal de estas varas para poder darles uso práctico, como podemos ver en la siguiente figura. En este caso es una composición de dibujo sobre foto en la que se muestra al Almutafaz u oficial designado por el rey para vigilar el orden y legalidad de las transacciones en el mercado, comprobando que una vara de medir de un comerciante esté en acuerdo con el patrón de la villa, en este caso Sos del Rey Católico (que utilizaba también la vara jaquesa). Esa vara patrón en concreto fue tallada en el año 1339. (Más información aquí.)

Oficial Almutafaz comprobando la longitud de una vara de medir comercial.

Algunas veces tenían una definición procedente del uso militar, por ejemplo en ese caso una vara se definía como la distancia entre el centro del pecho y la mano con el brazo extendido y era aproximadamente la longitud de la flecha de un arquero.

También habían patrones para peso, volumen y lo que fuera necesario medir para el comercio. Por ejemplo junto a la vara de medir se colocaban balanzas y recipientes (cántaros, alcántaras) como representación de la unidad de volumen estándar. Sin embargo este sistema podía ser todo un dolor de cabeza ya que prácticamente, no cada reino, sino cada ciudad importante tenía sus patrones propios. En el caso de España y Portugal, los dos reinos principales que heredaron sus patrones de medida a América Latina, sus unidades (así como gran parte de muchos otros aspectos de su cultura) estaban muy influenciados por los utilizados por los árabes del norte de África, que ocuparon gran parte de la Península Ibérica durante la edad media. Esto se nota en el origen árabe del nombre de algunas de estas unidades como la "alcántara", la balanza árabe usada para medir pesos (en realidad masas), o el nombre mismo del oficial del mercado (Almutafaz). 

Imaginemos esta diversidad multiplicada por el número de ciudades que habían en toda Europa, Oriente Medio, Asia Occidental y el Norte de África. Hacía falta una estandarización. Si bien esta no de logró realmente hasta el siglo XIX con el Sistema Internacional, ya desde el renacimiento se hicieron grandes esfuerzos por lograrlo, aunque fuera a lo interno de cada reino o estado. 

Dibujo de Venecia (en la actual Italia) en el año 1500. Venecia llegó a ser uno de los puertos más importantes de Europa y el Mediterráneo durante la edad media, donde llegaban comerciantes desde lugares tan lejanos como China y la India a vender sus productos, lo que obligaba a los comerciantes venecianos a tener un buen dominio de los distintos sistemas de unidades de medida de la época. (Imágen: http://turquistan.wordpress.com/)

En este enlace tenemos una muestra de algunas de las unidades de medida medievales más comunes y su correspondencia aproximada en el Sistema internacional. (Recodemos que las medidas podían variar significativamente de una ciudad a otra).

Aquí hemos visto solo algunas unidades de ejemplo, pero la variedad de ellas a lo largo del mundo medieval era grande, tanto en definición como en valor. En la próxima entrega veremos como con el "descubrimiento" del nuevo mundo por parte de los navegantes europeos algunas de estas unidades medievales llegaron al continente americano y como a su vez las nuevas necesidades comerciales y militares dieron pie a que surgieran nuevas unidades.

#36 Grandes Simulaciones de N Cuerpos

Estudiar la Estructura a Gran Escala no suele ser sencillo. Se necesita recolectar una gran cantidad de datos espectroscópicos de una gran cantidad de galaxias en miles de cúmulos y ademas, de esto intentar mapear el gas que reside en esas galaxias, tomar en consideración la energía oscura y la materia oscura, los grandes vacíos y también tomar en cuenta que no toda la materia que "brilla'' (materia bariónica) podrá verse. Esto último suele deberse a los llamados efectos de selección, que limitan el poder de los surveys (grandes misiones dedicadas exclusivamente al mapeo de regiones del cielo o cielo completo, o busqueda de un cierto tipo de objeto). Un ejemplo muy común de un efecto de selección es la magnitud máxima sobre la cual el nivel de ruido perjudicará una medida espectroscópica. Y esto provoca que el universo local este mejor mapeado que las regiones más distantes.

Una estrategia es darle la vuelta a la tortilla e intentar entender la Estructura a Gran Escala usando simulaciones por computadora. Es básicamente como jugar un videojuego, aunque en este caso solo somos capaces de controlar las condiciones iniciales, dejando correr el resto de lo que sucederá a su libre albedrío. Las constantes fundamentales de la cosmología (de los que ya alguna vez hable por aquí) deben ser elegidos cuidadosamente de los resultados de los más importantes surveys, ya que estas constantes definirán la física del "universo'' que nos planteamos crear. Dos simulaciones nos son especialmente interesantes, por su tamaño y poder para reproducir lo observado en la Estructura a Gran Escala. La primera de estas es la mítica simulación del "Millennium'', que fue la primera "gran" simulación de N cuerpos de la historia. La idea básica es comenzar con una gran cantidad de "cuerpos" (para Millennium fueron usadas ~10×10⁹ partículas) distribuidos al azar en una caja rectangular de 500 h Mpc (recordemos que 1 h Mpc ~ 3.2×10²² años luz), con una cierta masa por partícula (típicamente de 10⁹ masas solares, la masa de un gran cúmulo de estrellas o de una pequeña galaxia), los cuales se dejarán evolucionar, esto es, simplemente veremos como estas partículas empiezan a responder ante la fuerza de gravedad que sienten entre ellas. El problema de los N cuerpos debe ser resuelto numéricamente en una cantidad de pasos cuantizados tras los cuales cada partícula dentro de la caja se habrá movido una cierta distancia que depende de las interacciones que será capaz de cálcular la supercomputadora que podamos comprar. Las especificaciones de este experimento estan en Springel et al 2005 (el preprint puede ser descargado de forma gratuita aquí). La simulación del Millennium comienza en un tiempo z=127 y termina en z=0, lo cual es un lapso de 10 giga años que termina en nuestra época. La estructura final es desplegada en una hermosa película que asombró a todos en su momento. La podemos ver a continuación.

Mientras los años pasaban el poder computacional se incrementaba de acuerdo a la ley de Moore, permitiendo incrementar el número de cálculos (recordemos que Millennium necesitaba aproximadamente 10¹⁰ cálculos por paso). Tal es el caso que una nueva simulación con mayor resolución (una caja de 250 h Mpc) que permite determinar en mayor detalle la Estructura a Gran Escala, la simulación Bolshoi (del ruso "Grande'', Klypin et al. 2011). El número de partículas es menor, 8×10⁹, pero la cantidad de pasos en su evolución se ha incrementado en el 400%, esto es 400000 pasos para cada partícula entre z=80 a z=0. El resultado también es desplegado en la siguiente película.

Sin embargo, todo tiene un pero. En el caso de las grandes simulaciones, este es que lo que se simula no son galaxias ni estrellas, esto es, la materia que podemos ver, que en este blog llamaremos materia bariónica desde aquí en adelante. Desde hace mucho se sabe que la gran cantidad de materia del Universo se encuentra en forma de halos de materia oscura (de los que hemos hablado aquí y aquí ), que corresponde al 90 por ciento de toda la materia que existe en el Universo. Estas simulaciones no toman en cuenta la materia bariónica, de tal manera que lo que observamos en esas simulaciones, todos esos puntos luminosos, no representan realmente galaxias ni aglomeraciones de estrellas, sino partículas de materia oscura dentro de las cuales deberían de "vivir'' las galaxias. Estas partículas efectivamente tendrán que acoplarse con la materia bariónica en algún momento de la evolución si quieren describir el Universo. Pero con este tipo de simulaciones no podemos entender por ejemplo problemas de segregación o ambiente galáctico en cúmulos o en supercúmulos de galaxias. Una forma de atajar este problema es considerar funciones "semi-analíticas" que cambien las condiciones del ambiente para acercar las simulaciones un poco más a la realidad. Estas funciones deberán de asumir como el ambiente es modificado por la presión del gas y la radiación. En mi opinión, simular materia bariónica dentro de los halos de materia oscura es el próximo gran reto de las simulaciones de N-cuerpos. Después de todo, nosotros vivimos en una galaxia formada por materia bariónica, parte de la cual nosotros mismos estamos formados.

#35 Isaac Asimov: Ciencia y Belleza

Los que me conocen bien saben que soy un gran fanático de Isaac Asimov, así que simplemente no he logrado resistirme a colgar este video. Espero les agrade.. con el debido respeto del dueño del canal..

#34 Exoplanetas Terrestres descubiertos por Kepler

Ya ha pasado mucho tiempo desde que el Observatorio espacial Kepler vio luz por primera vez, y casi no pasa una semana sin que se sepa alguna noticia de este telescopio. Siempre noticias gratificantes. Hace un par de semanas se dio a conocer la noticia de que fueron encontrados dos sistemas, el sistema Kepler-62, que alberga por lo menos 5 planetas, dos de ellos del tamaño conocido como "supertierra", los planetas Kepler-62e y Kepler-62f; y el sistema Kepler-69 con al menos dos planetas, siendo Kepler-69c considerado como supertierra.

¿Qué es una supertierra? Básicamente cualquier planeta con un tamaño que se encuentra en el rango entre 1.25 a 2 veces el tamaño de nuestra Tierra. ¿Cómo detecta Kepler tales planetas? Los planetas fueron descubiertos a través de las curvas de luz de sus estrellas. La curva de luz es una herramienta que permite determinar cuándo la luz proveniente de la estrella se "eclipsa" debido al paso de un planeta delante de ella. A continuación vemos las curvas de luz para los planetas del sistema  Kepler-62.

A partir del tiempo de eclipsamiento se puede establecer un tamaño mínimo para los planetas en cuestión.

Encontrar planetas con tamaños comparables a la Tierra se está empezando a volver común, mas encontrar planetas en la región de habitabilidad de sus estrellas (región donde la temperatura alcanzada por la radiación emitida por la estrella puede hacer convivir al agua en sus tres estados de forma cómoda) y que estos planetas sean del tipo "rocoso" no es algo que se escuche de forma tan frecuente. Kepler-62e y f tienen  probablemente una composición rocosa, o como mínimo podrían estar cubiertos por agua en estado solido en la mayoría de su superficie. Claro que una cosa es vivir en la zona de habitabilidad, y la otra es que sea posible que pueda existir vida en tales cuerpos. La estrella Kepler-62 es en realidad pequeña y fría  (como lo describiría un astrónomo, una estrella K2), asi que la zona de habitabilidad está mucho más cerca de la estrella que en el sistema solar. El planeta Kepler-69c, que tiene un radio de 1.7 veces el tamaño del nuestro, se encuentra orbitando alrededor de una estrella del mismo tipo que el Sol, con una órbita de 242 días, lo cual podría llevarnos a pensar que se trata de un planeta con características similares a Venus. La noticia completa puede ser leída aquí.

Hoy por hoy no hemos encontrado ningún planeta que cumpla ambas condiciones: tener un tamaño comparable al de nuestra Tierra y orbitar en la zona de habitabilidad. Sin embargo hasta el momento Kepler ha confirmado ya 63 sistemas, tanto en los tamaños de sus planetas como en el tamaño de sus órbitas. Esta página nos muestra estos sistemas ya confirmados, la cual está muy interactiva.