Astronomía al aire III

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ASTRONOMÍA AL AIRE

Volumen 3

Héctor Rago A.

Universidad Industrial de Santander

División de Publicaciones

Bucaramanga, 2021

Página legal

Colección Biblioteca Comunidad UIS

Un libro para todos

ASTRONOMÍA AL AIRE

Volumen 3

Héctor Rago A.

Profesor, Universidad Industrial de Santander

Ilustraciones: Domingó

Primera edición, mayo de 2021

©Universidad Industrial de Santander

Reservados todos los derechos

ISBN: 978-958-53312-0-4

Diseño, diagramación e impresión:

División de Publicaciones UIS

Carrera 27 calle 9, ciudad universitaria

Bucaramanga, Colombia

Tel: (7)6344000, ext. 1602

ediciones.uis.edu.co

Prohibida la reproducción parcial o total de esta obra,

por cualquier medio, sin autorización escrita de la UIS.

Impreso en Colombia

Prólogo

Todos hemos visto en los últimos años la explosión de los medios de comunicación, tanto masivos como de interconexión personal. Ello ha conducido a la casi absoluta libertad de expresión en que han soñado muchos pensadores de Occidente. Todavía parece temprano juzgar si eso es bueno o malo. Lo único cierto es que la mente de la persona media navega en la actualidad en un proceloso mar de información, en el cual difícilmente puede distinguirse lo bueno de lo malo, lo verdadero de lo falso. Por ejemplo, hasta los pasados años noventa existían canales de televisión internacionales que mostraban con frecuencia excelentes documentales científicos e históricos. En la actualidad el 80 % de la programación de esos canales está dedicada a temas como los “alienígenas ancestrales”, “Pie Grande”, “cazafantasmas”, etc.

De este modo, la ciencia ha sido particularmente afectada por ese fenómeno de información incontrolada, y las personas sin defensas mentales adecuadas pueden aceptar como ciertas muchas teorías estrambóticas, paranoicas y conspiranoicas, y rechazar, por el contrario, el aurea mediocritas de la realidad que le muestra la ciencia. A veces eso puede tener desgraciadas consecuencias prácticas, como se ha visto en el tiempo que la pandemia del SARS-CoV-2 lleva azotando a la humanidad desde principios de 2020.

Sobre el fondo de este panorama se hace más necesaria que nunca la existencia de buenos divulgadores científicos (science writers, dicen en inglés) que pongan a la altura del público general los conocimientos de la ciencia estándar, desbrozándolos de la basurita en que normalmente los envuelven los mass media. En nuestro ámbito regional uno de esos divulgadores es el físico relativista venezolano Héctor Enrique Rago Albujas, quien, desde hace muchos años, y paralelamente a su labor investigativa en la Universidad de los Andes (Mérida), ha venido publicando en nuestro idioma artículos y libros sobre diferentes temas científicos de actualidad, especialmente aquellos que de una u otra forma tienen que ver con física y matemáticas.

En los años recientes, el profesor Rago ha colaborado con la Escuela de Física de la Universidad Industrial de Santander y con su Grupo Halley de Astronomía y Ciencias Aeroespaciales. Una de las actividades desarrolladas ha sido el programa radial, blog y podcasts “Astronomía al aire”, que se transmite por las emisoras institucionales de la UIS y otras emisoras universitarias en varios países. En el presente tomito (el tercero de la serie), se recopilan 31 textos sobre diferentes temas que han sido presentados en ese programa (algunos de ellos han sido publicados en el diario El Espectador), y que van desde el big bang hasta los gravitones, pasando por reflexiones sobre el tiempo y los aspectos matemáticos de la música, incluyendo minibiografías de científicos como madame Curie, Cantor, Turing y Perelmán, entre otros.

Estamos seguros de que el presente libro será uno de los mejores antídotos con que puedan contar los lectores colombianos en la lucha contra las fake news y la información anticientífica que en nuestro tiempo inundan los medios de comunicación.

Bernardo Mayorga

Bucaramanga, mayo de 2021

Pensar y sentir la luna

He visto una cosa blanca en el cielo. Me dicen que es la luna, pero qué puedo hacer con una palabra y con una mitología.

Jorge Luis Borges

La Luna es, a veces, un refulgente disco de plata o de marfil, y, otras veces, una galleta mordida. Voluble y cambiante, dicen que dijo William Shakespeare. Es un mito persistente en el imaginario de todas las culturas y es inspiración definitiva de boleristas enamorados, poetas y locos, que de ellos todos tenemos algo.

Su rostro oculto es una metáfora de lo que tuvimos que develar para conquistarla y hacerla nuestra. La Luna ha sido decisiva en la construcción de la física, y a su vez las leyes de la física nos permiten indagar acerca de su verdadero rostro.

Pensar en la Luna, saber dónde está en cada instante del tiempo, saber su velocidad, cuál es su trayectoria, su tamaño, su masa, su historia, su superficie y su influencia sobre nuestro planeta fue absolutamente necesario para la conquista real que significó sentirla y poner los pies en ella, con toda la carga simbólica que esta posesión representa.

El medio siglo de la llegada del hombre a la Luna nos permite vislumbrar la feroz competencia por el conocimiento científico, la veloz carrera por el dominio tecnológico necesario para la delicada misión y el fantasma de la motivación bélica —de cohetes y tecnología nuclear—, en un contexto de oposición de dos sistemas políticos irreconciliables. Hablamos de una época turbulenta, llena de temores y paranoias, por el riesgo de que la guerra dejara de ser fría y estallara de nuevo una confrontación mundial.

How high the moon.

Nancy Hamilton

Todo comienza cuando la humanidad aprendió a calcular cuán alta está la Luna, conoció la distancia que nos separa de ella y así empezó a despojarla de su contenido místico. El cómputo se hizo posible gracias a una afortunada coincidencia: el Sol y la Luna ocupan un área similar en el cielo, es decir, vistos desde la Tierra, el ángulo que ellos forman es el mismo. Por eso durante los eclipses totales de Sol no falta Luna ni sobra Sol.

La Luna es pequeña y está cerca de nosotros, mientras que el Sol es grande y está lejos. Esto resulta una coincidencia afortunada, porque la duración total de los eclipses y el tamaño de la Tierra permiten (geometría mediante) determinar que la Luna se encuentra a unas 70 veces el radio de la Tierra, es decir, a una distancia aproximada de 390.000 kilómetros.

Tal cálculo lo hicieron los griegos un siglo y medio antes de nuestra era. Con ese valor y el ángulo que la Luna forma, podemos precisar su tamaño, que resulta ser de unos 1740 kilómetros de radio, es decir, aproximadamente la tercera parte del radio de la Tierra. Una vez conocida la distancia entre la Tierra y la Luna, determinados momentos de sus fases permiten medir la distancia entre la Tierra y el Sol. La Luna nos habla del sistema solar.

La Luna que no cae y la manzana que cae.

Ernesto Sábato

De la mano de Isaac Newton la Luna fue nuevamente protagonista: ella le señaló al científico que estaba en lo correcto al suponer que la gravedad disminuye con el cuadrado de la distancia. Si conocemos la distancia a la Luna y el tiempo que esta demora en darle una vuelta a la Tierra (unos veintiocho días), podemos calcular la aceleración que la Tierra le imparte a la Luna, un valor que resultó ser consistente con la aceleración de la manzana que cae en la superficie de la Tierra. Así, la teoría de gravitación de Newton explicaba la aceleración de la manzana, que cae, y la de la Luna, que no cae. La Luna nos habla del universo.

Mi siglo vertical y lleno de teorías.

Eugenio Montejo

Las teorías de la física son, entre otras cosas, una manera de indagar sobre la realidad y conocer lo que de otra forma hubiera sido imposible. La teoría de la gravitación universal de Isaac Newton permitió calcular la masa de la Luna, cuyo valor resulta ser el 12 % de la masa terrestre.

La lógica implacable de la ciencia comienza a funcionar: una vez conocida la masa y el tamaño de la Luna, podemos calcular su densidad, que es igual a la de las rocas terrestres. También podemos medir la diferencia de la atracción gravitacional que la Luna ejerce en las caras opuestas de la Tierra. Esta diferencia es la causa de las mareas en nuestro planeta. El Sol refuerza el efecto, pero la Luna es la responsable principal de las mareas. Por cierto, el efecto recíproco de la gravedad de la Tierra sobre los lados opuestos de la Luna es lo que hace que ella nos muestre siempre una misma cara.

La masa de nuestro satélite y su tamaño determinan la aceleración con que cae un cuerpo cerca de su superficie y resulta ser el 16 % de la aceleración en la Tierra. Así, al dejar caer un cuerpo en la superficie de la Tierra, este desciende 5 metros en 1 segundo; en la Luna solo caería 80 centímetros. Un astronauta pesaría en la Luna el 16 % de su peso en la Tierra.

Todo esto fue un lento y arduo proceso necesario para la conquista de nuestro satélite.

Fly me to the Moon.

Bart Howard

Lo que vino después fue vorágine y vértigo. El desarrollo de armamento nuclear por parte de Estados Unidos y del régimen soviético, el macartismo en los Estados Unidos y el férreo estalinismo en la Unión Soviética, el triunfo de Mao en China y el inicio de la guerra de Corea proveían el eruptivo telón de fondo de los años de la posguerra.

El «delicado balance del terror» —la frase es de Winston Churchill— encontró en la carrera espacial el motivo que evitaría que la sangre llegara al río. La experiencia con proyectos de misiles balísticos intercontinentales devino en la posibilidad real de ubicar un satélite artificial en órbita alrededor de nuestro planeta: la carrera espacial había empezado. La Unión Soviética picó adelante y en 1957 puso en órbita el Sputnik, una pelota de aluminio de 60 centímetros de diámetro, que desató una ola de pánico colectivo y una profunda herida en el ego de la nación que se asumía como la más desarrollada tecnológicamente.

Unos meses después, los soviéticos mandaron a la perrita Laika al espacio en el Sputnik 2, y en 1961 Yuri Gagarin se convirtió en el primer hombre en mirar la Tierra desde el espacio exterior. En febrero de 1958, los estadounidenses lograron hacer orbitar el Explorer 1. Al comienzo de los sesenta, John. F. Kennedy anunció los planes de enviar astronautas a la Luna antes de finalizar la década alucinante. Y hoy celebramos.

Cierto, la motivación de la conquista de la Luna no fue la noble curiosidad intelectual de los científicos ni las ansias de conocimiento. No había ninguna necesidad de hacerlo, pero los complejos avatares culturales y políticos impulsaron la carrera espacial y apresuraron la conquista de nuestro satélite. El verdadero móvil fue la rivalidad entre dos potencias, y el temor a quedar rezagadas en el desarrollo tecnológico y con el orgullo herido. La lectura subyacente es que un triunfo en la conquista de la Luna permitiría vislumbrar que el poderío tecnológico era la representación simbólica de una superioridad ideológica, en tiempos de inocencia perdida y de superioridad bélica, en caso de que se diera una conflagración real.

Sin embargo, los efectos colaterales de la carrera por conquistar la Luna fueron imprevistos y altamente beneficiosos para la humanidad. No solo en ciencias espaciales, también en tecnología y ciencias básicas. El esfuerzo de cada nación significó la formación de científicos en ingeniería, intercambios, transferencia de tecnologías, desarrollo de computadoras… Además, los programas educativos se modernizaron. Solamente el programa Apolo desarrolló más de cincuenta experimentos, algunos de los cuales aún continúan, y la NASA habla de unos dos mil productos comerciales relacionados.

La comprensión de la Luna como un astro con microcráteres a diversas escalas (sin campo magnético, sin atmósfera, con materiales similares a los de la Tierra), y el análisis detallado de más de 400 kilos de rocas lunares en distintas misiones revolucionaron las ciencias planetarias y nos hablaron de orígenes, de nacimientos de planetas, de choques, de violentos volcanes en erupción. También nos brindaron una visión del sistema solar temprano. La Luna nos habla de nuestro suburbio.

Los espejos reflectores puestos por la tripulación del Apolo 11 y por otras dos misiones posteriores nos permiten conocer la distancia entre la Tierra y la Luna con la exquisita precisión de unos cuantos milímetros. La medición tan exacta nos informa que la Luna se aleja de la Tierra algo menos de 4 centímetros al año, precisamente a causa de las fuerzas de marea. También nos permite verificar delicadas predicciones de la relatividad general. De nuevo la Luna nos habla del universo.

No resulta descabellado afirmar que la moderna era tecnológica con su enjambre de satélites artificiales y complejas redes de comunicación, incluyendo internet y GPS, estuvo prefigurada desde el instante en el que una nave se posó apaciblemente en el Mar de la Tranquilidad.

Una ignorante luna, sin su Virgilio y sin su Galileo.

Jorge Luis Borges

Cuando Galileo enfocó su pequeño telescopio hacia la Luna presagió el momento en el que alguien habría de dar un pequeño salto en su superficie, que significaría un gran salto para la humanidad. La Luna contribuyó decididamente a edificar la ciencia moderna y aprendimos a saber de ella lo necesario para construir teorías y para conquistarla.

¿En verdad hay conspiranoicos que piensan que todo fue un gigantesco montaje urdido por la cámara implacable de Kubrick? A ellos hay que preservarlos como evidencia de que aún existe la inocencia en el universo.

La carrera es un instante paradigmático en la historia de la humanidad porque trazó la silueta del mundo contemporáneo, y con ello aprendimos más de nosotros mismos y de cómo funciona el universo, sin morir en el intento.

Fotografiar un agujero negro

Ninguna de las leyes universales les son aplicables. Son los rebeldes que se escapan.

Rajesh

De todos los conceptos que la física ha recreado, ninguno —ni las supernovas, ni la antimateria, ni la teletransportación cuántica, ni siquiera el Big Bang— tiene el poder mediático de los agujeros negros.

La física lo volvió a hacer. Una vez más las redes sociales estallan y buena parte de la humanidad contempla asombrada, a través de los medios y de internet, la primera fotografía de las inmediaciones de un agujero negro, ese “objeto secreto y conjetural” que nos recuerda que el universo puede ser más extraño de lo que podemos imaginar.

¿Son los agujeros negros una solución a las complejas ecuaciones producidas por la imaginación de los físicos? ¿O la Deus ex machina invocada por los astrofísicos para explicar algunas observaciones del universo violento?

La fotografía difundida en abril de 2019 es la evidencia rotunda de que son las dos cosas. Un agujero negro es un objeto con una existencia real (filósofos, discúlpenme), y que se parece a lo que dicen las soluciones matemáticas de la relatividad.

Cierto, no es la primera vez que la física conjetura entidades que no se han visto: Neptuno, los átomos, la antimateria, el bosón de Higgs y muchas más fueron primero una presunción teórica hasta cuando se los observó.

Creer para ver

Los agujeros negros son una predicción de la relatividad, una predicción de la teoría de Einstein, la cual sabía más que él. Las teorías de la física hablan en un lenguaje cifrado, y no siempre es obvia su interpretación. En las primeras décadas del siglo XX, la relatividad era el paraíso de los teóricos y matemáticos que hurgaban en las ecuaciones buscando una interpretación clara de lo que la teoría establece. Schwarzschild, Oppenheimer, Thorne, Hawking, Penrose y muchos más descifraron lo que la relatividad afirmaba de los agujeros negros. Los teóricos necesitan creer para ver.

Los agujeros negros teóricos son objetos muy sencillos. Desde afuera sus únicas propiedades son su masa y su spin o rotación. Su rasgo distintivo es el horizonte de eventos, una frontera que separa la región externa, que podemos observar, de la interna, de la que no sale ni siquiera la luz. Todo atrapado por el poderoso campo gravitacional. El horizonte define el tamaño del agujero negro, y a su vez el radio del horizonte depende de la masa encerrada. Una vez transgredida la frontera del horizonte, ya no hay vuelta atrás. Como en las puertas del infierno en la Divina Comedia, «abandonad toda esperanza quienes aquí entráis». Materia y radiación son arrastrados hacia la región central y no hay fuerza conocida que contrabalancee la atracción implacable de la gravedad. Ocurre el colapso total, la temible singularidad, donde las leyes conocidas pierden validez. En realidad, la ausencia de leyes nos impide saber el destino final de la materia que colapsa: puerta hacia otro universo, agujero de gusano o infinitos son meras especulaciones.

Ver para creer

Cuando en el universo real los astrónomos detectan una masa grande en una región pequeña, hay un posible agujero negro. En el centro de la galaxia M87 una masa equivalente a 6.500 millones de soles ocupa un tamaño algo mayor que nuestro sistema solar. Un disco de materia a elevadísimas temperaturas gira a una velocidad cercana a la de la luz. Todas las observaciones sugieren la existencia de un agujero negro supermasivo.

Cierto, no podemos ver un agujero negro, pero sus efectos en la materia cercana sí: es como detectar el viento por medio del remolino de las hojas.

Para acercarse visualmente al punto de no retorno del agujero, se requiere un telescopio con una resolución sin precedentes, porque M87 está muy lejos y el horizonte del agujero negro es muy pequeño. Se necesitaría la resolución equivalente para ver una toronja en la luna desde la Tierra.

El Telescopio Horizonte de Eventos (EHT), en un alarde tecnológico formidable, logró la resolución necesaria, unas dos mil veces la del Hubble. Lo hizo coordinando ocho telescopios a lo largo y ancho del planeta, que funcionaron en perfecta sincronía como si fueran uno solo del tamaño de la Tierra. Se tomaron fotografías en ondas de radio de algo más de un milímetro de longitud de onda, y se procesaron cientos de miles de millones de gigabytes de información para ver la sombra del agujero negro, el efecto combinado del horizonte y de la curvatura del espacio alrededor del agujero.

Complicados algoritmos permitieron juntar la información y “revelar” la imagen de las inmediaciones de la galaxia M871. La foto es la evidencia de la existencia real de agujeros negros. Antes de ella, las ondas gravitacionales detectadas por LIGO, emitidas por la fusión de agujeros negros, eran la prueba indirecta más convincente. La coincidencia entre lo que el telescopio observó y las expectativas teóricas fue asombrosa.

Una década de esfuerzos de coordinación de equipos, cinco días de la sesión fotográfica, dos años de análisis y “revelado” de la foto y una hora de la rueda de prensa son apenas el comienzo de observaciones cada vez más nítidas y de descubrimientos fascinantes. Un número creciente de telescopios y nuevas observaciones nos irán afinando progresivamente la imagen del agujero negro en M87 y del que está en nuestro patio trasero, en el centro de la Vía Láctea.

Esto nos permitirá eventualmente conocer cómo se forman los agujeros negros supermasivos y cuál es su rol en el origen y la evolución de las galaxias. La humanidad puede con justicia sentirse orgullosa de haber aprendido un poco más del inconcebible universo.

1 El agujero negro en M87 en cifras: el agujero negro está a unos 55 millones de años luz de distancia de nosotros. Su masa es 6500 millones de veces la masa de nuestro Sol. Su masa es la 1/700 parte de la masa de toda la galaxia M87. Su horizonte es de 18 horas luz, una vez y media el tamaño del sistema solar.