Un Mundo de Prestado

Cuando algún grupo defensor de la naturaleza alza la voz por una especie en peligro, a todos nos mueve el altruismo por un momento. Pero en el fondo la mayoría piensa que la vida es fuerte y duradera y lo suficientemente vieja como para haber sobrevivido antes a situaciones críticas. Puede que sea cierto que la vida se empeñe en subsistir, pero no es tan vieja como nos pensamos.

Según lo que sabemos de nuestro planeta, se formó hace 4.500 millones de años, casi al mismo tiempo que nuestra estrella. Basados en estudios químicos detallados del período Precámbrico, los geólogos y paleontólogos han logrado establecer que las primeras formas de vida unicelulares emergieron hace 3.800 millones de años, apenas algo después del nacimiento de la Tierra si hablamos en términos geológicos. Pero contrariamente a lo que se piensa popularmente, esa vida no evolucionó hacia organismos complejos hasta hace relativamente poco. Toda la diversidad que conocemos tiene su origen hace tan sólo 610 millones de años en el periodo conocido como Ediacárico. Durante los casi 3.000 millones de años transcurridos desde las primeras bacterias, apenas hubo evolución alguna, siendo ese periodo mayor de tiempo el hábitat de organismos unicelulares ubicados exclusivamente en el mar.

Ilustración del Océano Ediacárico hace 600 millones de años

Explosión Cámbrica

Entrando ya en el periodo Ediacárico (hace 610 millones de años) se produjo la primera evolución de los organismos pluricelulares, que derivaron en organismos tan diversos como las esponjas, algas pardas, cianobacterias, hongos mucosos y mixobacterias. Pero aún quedaba muy lejos el diseño complejo de la vida.

Poco después de la aparición de estos primeros organismos multicelulares, una gran diversidad biológica apareció en un período de diez millones de años, en un evento denominado Explosión Cámbrica, un lapso breve en términos geológicos pero que implicó una diversificación animal sin paralelo y el cual está documentado en los fósiles encontrados en los sedimentos de Burgess Shale, Canadá. La mayoría de los planes corporales de los animales modernos se originaron durante este período.

Imagen del Océano Pérmico hace 290 millones de años. Ilustración cedida por National Geographic

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Y no fue hasta hace 500 millones de años, que las plantas y los hongos colonizaron la tierra (hasta ese momento toda la vida estaba concentrada en el mar y la tierra firme era un desierto desolador). Con la aparición de las primeras plantas en tierra firme, los anfibios tuvieron su oportunidad saliendo a la superficie hace alrededor de 300 millones de años, seguidos de los primeros amniotas y posteriormente de los mamíferos hace unos 200 millones de años. Las aves aparecen hace 100 millones de años.

En un plazo de medio millón de años surgió la vida en la tierra. Los dinosaurios nacieron y se extinguieron dando lugar a la era de los mamíferos entre los que nos contamos. Los primeros rastros de lo que hoy son los seres humanos (los primeros homínidos), aparecieron hace 4,5 millones de años y las primeras civilizaciones apenas datan de hace 6.000 años. Así pues acabamos de llegar a este vecindario, procuremos no llenar de demasiada basura un mundo que tenemos de alquiler y no de propiedad e intentemos dejarlo lo mejor posible para los próximos inquilinos.

De Púlsares y Hombrecillos Verdes

Existen muchos tipos de estrellas, las más comunes ya las conocemos: Azules, rojas, enanas blancas, súper gigantes, marrones, amarillas. Pero también existen otras estrellas no tan comunes, rarezas difíciles de ver, absolutamente fascinantes.

En 1967 un equipo de radioastrónomos liderados por Jocelyn Bell y Antony Hewish, rastreaba el firmamento en busca de señales de radio cuando detectaron una señal. Era de corta duración y extremadamente regular, como si alguien encendiera y apagara una linterna ante sus ojos a intervalos exactos y precisos. Aquello no parecía ser algo natural sino provocado, así que pensaron que podrían haber establecido contacto con una civilización extraterrestre. Y llamaron a su señal: LGM (Little Green Men, Hombrecillos Verdes). Como ya habréis supuesto no era una señal extraterrestre, curiosamente esa señal nos la enviaba una Estrella de Neutrones, un Pulsar.

Una estrella es una bola de gas que se ha encendido y quema el combustible del que está hecha. Pero así, a primera vista, que una nube de gas se ponga a arder en el espacio vacío, debería ser cuando menos, caótico. Sin embargo las estrellas son esferas bastante estables en su mayoría. El motivo es que dentro de la estrella se producen dos fuerzas opuestas que la mantienen estable. Por un lado la fusión del hidrógeno y su conversión en helio –que son sus componentes principales- genera una fuerza de empuje que intenta expulsar hacia afuera sus capas externas más ligeras. Y por otro lado, el núcleo, compuesto de materiales pesados como el hierro, tiende a comprimirse sobre sí mismo por efecto de su propio peso, lo cual ejerce una tremenda gravedad. Cuando esas dos fuerzas se equilibran, nace una estrella que perdurará en ese estado miles de millones de años, como nuestro Sol.

Pero todo tiene su final y una vez a la estrella no le queda hidrógeno y consume el helio hasta que también lo agota, la fuerza gravitatoria del núcleo tiene todas las de ganar. Éste empieza a comprimirse y a hacerse más denso –ya que sigue manteniendo la misma masa pero en un espacio más reducido-. Por un segundo rebota contra las livianas capas exteriores que quedaban y se libera de ellas en una tremenda explosión, una Supernova.

Lo que ocurra a partir de ahora dependerá del tamaño inicial de la estrella. La nuestra no es lo suficientemente grande para causar siquiera una supernova, se desprenderá de sus capas exteriores limpiamente y sin aspavientos, y se convertirá en una Enana Blanca. Pero si el núcleo es de aproximadamente 1,5 masas solares (una vez y media más grande que nuestra estrella) continuará comprimiéndose cada vez más. Cuanto más colapse el núcleo, más cercanos y apretados estarán los electrones y los protones que componen sus átomos. Y finalmente éstos se recombinarán sin remedio dando lugar a neutrones.

Si la estrella hubiera sido mayor su siguiente paso sería convertirse en un Agujero Negro, pero en este caso estaba justo en el límite del tamaño requerido. Y al reducirse a un tamaño de no más de 15 o 20 km de diámetro, la fuerza gravitatoria se vuelve a equilibrar con la fuerza de repulsión que ejercen los neutrones –a los neutrones no les gusta estar cerca unos de otros, intentan constantemente separarse- Y se convierte en un remanente estable, una Estrella de Neutrones. Un Pulsar.

Las estrellas de neutrones pueden girar sobre sí mismas hasta varios cientos de veces por segundo; un punto de su superficie puede estar moviéndose a velocidades de hasta 70.000 km/s. De hecho, las estrellas de neutrones que giran muy rápidamente se expanden en su ecuador debido a esta velocidad vertiginosa. El efecto combinado de la enorme densidad de estas estrellas con su intensísimo campo magnético, causa que las partículas que se acercan a la estrella desde el exterior (como, por ejemplo, moléculas de gas o polvo interestelar), se aceleren a velocidades extremas y realicen espirales cerradísimas hacia los polos magnéticos de la estrella. Por ello, los polos magnéticos de una estrella de neutrones son lugares de actividad muy intensa: emiten chorros de radiación en el rango del radio, rayos X o rayos gamma, como si fueran cañones de radiación electromagnética muy intensa.

Por razones aún no muy bien entendidas, los polos magnéticos de muchas estrellas de neutrones no están sobre el eje de rotación. El resultado es que los "cañones de radiación" de los polos magnéticos no apuntan siempre en la misma dirección, sino que rotan con la estrella.

Es posible entonces que, mirando hacia un punto determinado del firmamento, recibamos un "chorro" de rayos X durante un instante. El chorro aparece cuando el polo magnético de la estrella mira hacia la Tierra, deja de apuntarnos una milésima de segundo después debido a la rotación, y aparece de nuevo cuando el mismo polo vuelve a apuntar hacia la Tierra. Lo que percibimos entonces desde ese punto del cielo son pulsos de radiación con un periodo muy exacto, que se repiten una y otra vez (lo que se conoce como "efecto faro"), cuando el chorro se orienta hacia nuestro planeta. Por eso, este tipo de estrellas de neutrones "pulsantes" se denominan Púlsares (del inglés pulsating star, "estrella pulsante").

Como curiosidad cabe decir que son estrellas tan sumamente densas, que una cucharadita de Púlsar pesaría 1.000 millones de toneladas en la Tierra. Y una persona de unos 70 kg puesta sobre un Púlsar, pasaría a pesar 10.000 millones de toneladas. Y más vale no estar cerca de uno de ellos ya que emiten una radiación descomunal.

Menos mal que semejante pulso electromagnético no lo generaron los Hombrecillos Verdes.

 

(El vídeo tiene sonido, baja el volumen si no quieres escucharlo)

Viendo el Sol Como Nunca por la SDO

No hace mucho compartía con vosotros el vídeo del lanzamiento de la sonda SDO (Solar Dynamics Observatory) en el que se apreciaba cómo destruía un Arco Iris. Ya entonces comenté que el lanzamiento era de por sí lo suficientemente importante como para no necesitar aditivos, ya que se esperaban grandes logros de la sonda en su estudio del Sol y su campo magnético.

La nave fue lanzada el 11 de Febrero de 2010 y es la más avanzada jamás diseñada para estudiar el Sol. Durante su misión de cinco años, estudiará el campo magnético del Sol y también proporcionará una mejor comprensión del papel que juega en la química atmosférica de la Tierra y el clima. Los instrumentos de la SDO proporcionarán imágenes con una claridad 10 veces mejor que la televisión de alta definición y devolverá unos impresionantes 1.5 Terabytes de datos científicos más rápidamente que cualquier otra nave espacial solar de observación. Investigará los eventos solares extremos, como el viento solar, las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal y analizará cómo influyen las vastas cantidades de materia eyectada desde su superficie hasta la Tierra, sobre todo desde la perspectiva del clima planetario.

La SDO lleva instalados 3 instrumentos de observación que son lo más puntero que existe en tecnología para investigar las reacciones de nuestra estrella.

Heliosismic and Magnetic Imagen

Investigará campos solares magnéticos bajo la superficie. El experimento descifrará la física de la actividad solar, con la toma de fotografías en varias bandas muy estrechas de la luz visible.

Atmospheric Imaging Assembly

Es un grupo de 4 telescopios diseñados para fotografiar la superficie y la atmósfera solar. El equipo cubre las 10 bandas de diferentes longitudes de onda o colores, seleccionados para revelar aspectos clave de la actividad solar y permite tomar fotos de una resolución tan elevada que enviará imágenes con un nivel de detalle nunca visto.

Extreme Ultraviolet Variability Experiment

Mide las fluctuaciones de las emisiones de radiación del sol. Estas emisiones tienen un efecto directo en la atmósfera superior de la Tierra.

Pues bien, la NASA ya ha divulgado las primeras imágenes tomadas por la SDO y para deleite de todos, nos muestran un Sol como nunca antes habíamos visto. Poco después de que la sonda desplegara sus instrumentos, se produjo una erupción solar y dado que el Sol ha estado en letargo en los últimos años, parece como si quisiera dar la bienvenida a su visitante, mostrándonos todo su poder.

Puede que la SDO destruyera un Arco Iris en su lanzamiento, pero lo está compensando con creces ayudándonos a conocer a nuestro Astro Rey, como nunca.

Fuente: SDO | Solar Dynamics Observatory

La Naturaleza del Tiempo Relativista

En las anteriores entregas de esta serie dedicada al Tiempo, comenté la posible naturaleza de un instante y su medición hipotética del tiempo de Planck. También intenté dar forma al tiempo psicológico tal y como lo percibimos como seres humanos, pero aún hay otra naturaleza del tiempo más sorprendente si cabe, el Tiempo Relativo. Según la teoría de la Relatividad de Einstein, el tiempo es relativo y depende en gran medida del punto de referencia del observador y de su movimiento.

Relatividad Especial

La Teoría de la Relatividad Especial postula que la medida del tiempo no es absoluta, y que, dados dos observadores, el tiempo medido entre dos eventos por estos observadores, en general, no coincide, sino que la diferente medida de tiempos depende del estado de movimiento relativo entre ellos.

“Según la mecánica clásica, si Pedro viaja hacia el norte a 8 km/h encima de un tren que viaja hacia el sur a 8 km/h, a un observador en el suelo, pongamos Juan, le parecerá que Pedro está en reposo. Sin embargo, si Juan caminara a la misma velocidad en un tren que viaja hacia el norte, le parecería que está viajando a 16 km/h.

Pero según la mecánica relativista, si Pedro y Juan viajan en direcciones opuestas pero a velocidades cercanas a la luz, sus velocidades relativas no se sumarían, sino que ambas serían la velocidad de la luz ya que no se puede superar en ningún caso. Y esto ocurre precisamente porque sus tiempos son diferentes.”
Es decir, las medidas de tiempo y espacio son relativas, y no absolutas, ya que dependen del estado de movimiento del observador (es igual de correcto afirmar que el tren se desplaza respecto a la estación como que la estación se desplaza respecto al tren). Así pues, todo es relativo al observador excepto la velocidad de la luz, que siempre será la misma vista desde cualquier marco de referencia. Aunque dos observadores se muevan a una velocidad de 160.000 km/s uno respecto al otro, si ambos miden la velocidad de un mismo rayo de luz, los dos determinarán que se desplaza a 300.000 km/s.

“La teoría permitió establecer la equivalencia entre masa y energía cuya fórmula conocemos todos E=mc² (Energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado), así como una nueva definición del espacio-tiempo.”

 

Dilatación del Tiempo

Esta misma teoría también sostiene que existe un fenómeno llamado Dilatación del Tiempo. Un intervalo de tiempo medido por un observador que se mueve respecto de un reloj, es más largo que el intervalo de tiempo medido por un observador en reposo respecto del mismo reloj. Einstein afirmó que un reloj en movimiento funciona más despacio que un reloj en reposo. A partir de esto se afirma que todos los procesos físicos, químicos y biológicos se retardan respecto de un reloj estacionario, cuando dichos procesos ocurren en un marco en movimiento.

“La dilatación del tiempo ha sido comprobada numerosas veces. La rutina de trabajo en un acelerador de partículas desde los años 1950, como aquellos realizados en el CERN, es un test continuo de la dilatación del tiempo de la Relatividad Especial.”

La Paradoja de los Gemelos

La Paradoja de los Gemelos parte de la Relatividad Especial y se postula de la siguiente forma: se toma como protagonistas a dos gemelos (de ahí el nombre). El primero de ellos hace un largo viaje a una estrella en una nave espacial a una velocidad muy cercana a la de la luz, mientras que el otro gemelo se queda en la Tierra, pero cuando el gemelo de la nave regresa a la Tierra, es más joven que el gemelo terrestre.

De acuerdo con la teoría especial de la relatividad, y según su predicción de la dilatación del tiempo, el gemelo que se queda en la Tierra envejecerá más que el gemelo que viaja por el espacio a gran velocidad, porque el tiempo propio del gemelo de la nave espacial va más lento que el tiempo del que permanece en la Tierra y, por tanto, el de la Tierra envejece más rápido que su hermano.

Dilatación Gravitacional del Tiempo

La teoría de la relatividad general predice que el tiempo propio medido por un observador en reposo sobre la superficie de un planeta, es menor que el tiempo propio medido por otro observador en reposo respecto al primero pero situado a mayor altura. Es decir, el tiempo transcurre a diferentes ritmos en regiones de diferente potencial gravitatorio; cuanto mayor es la distorsión local del espacio-tiempo debido a la gravedad, más lentamente transcurre el tiempo. Esto se ha demostrado observando que los relojes atómicos a diferentes altitudes y, por lo tanto, a diferentes potenciales gravitatorios, muestran tiempos diferentes.

Si cogemos dos relojes atómicos perfectamente sincronizados (los relojes atómicos son capaces de medir mil millonésimas de segundo o sea 10^-9 segundos), y uno lo acercamos al Sol, cuyo pozo gravitacional es mucho mayor que el de la Tierra; y el otro lo dejamos en la superficie terrestre, observaremos que el reloj cercano al Sol mide el tiempo más lentamente que el de la Tierra. Si después volvemos a bajar el reloj del Sol a la superficie terrestre, ambos medirán de nuevo el tiempo al unísono, pero el que estaba en el Sol ha sufrido un retraso con respecto al de la Tierra. Así pues, en las cercanías de un Agujero Negro el tiempo se dilata y para un observador lejano, los acontecimientos ocurridos en sus inmediaciones parecerían transcurrir a cámara lenta. Y dentro del propio agujero el tiempo sería infinito.

“La dilatación gravitacional del tiempo se ha medido experimentalmente usando relojes atómicos en aviones. En 1971, J. C. Hafele y R. Keating, subieron varios relojes atómicos de cesio a bordo de aviones comerciales durante más de 40 horas y se comparó la lectura de éstos con otro idéntico en Tierra sincronizado con los primeros. Al comparar los relojes atómicos después del viaje, los de los aviones y el de la Tierra, ya no estaban sincronizados. Los relojes atómicos que habían volado estaban ligeramente retrasados. El efecto es lo bastante significativo como para que el Sistema de Posicionamiento Global (el GPS), necesite corregir periodicamente este efecto en los relojes a bordo de satélites artificiales.”

“También ha sido confirmada por el experimento de Pound y Rebka (Es un experimento de corrimiento al rojo gravitacional, que mide el corrimiento al rojo de la luz que se mueve en un campo gravitatorio). También se ha confirmado por observaciones del espectro de la enana blanca Sirio B y por experimentos con las señales de tiempo enviadas a y desde el módulo de descenso a Marte Viking 1.”

Fuentes y Referencias:

Teoría de la Relatividad Especial (Wikipedia)

Dilatación del Tiempo (Wikipedia)

Dilatación Gravitacional del Tiempo (Wikipedia)

Campo Gravitatorio (Wikipedia)

Paradoja de los Gemelos (Wikipedia)

Historia del Tiempo de Stephen Hawking, Editorial Crítica y Grijalbo Mondadori Barcelona, (1996)

Visto lo visto y dado que está probado experimentalmente, podemos deducir que el Tiempo es relativo y local y no la magnitud absoluta que le atribuimos, tan distinto para cada observador, como lo es el tiempo psicológico.