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De luz y grandes números

Cada vez que se habla de cosas que están fuera de la Tierra los números parecen crecer desproporcionadamente. Para que un cohete pueda escapar de la gravedad de la Tierra tiene que alcanzar velocidades de miles de kilómetros por hora. Para que pueda llegar a la Luna tiene que recorrer más de 300 mil kilómetros. Para que alcance el planeta más cercano tiene que recorrer millones de kilómetros. Para darle la vuelta a la Tierra hay que recorrer más de 40 mil kilómetros. Nuestro planeta se mueve alrededor del Sol a más de 100 mil kilómetros por hora. El Sol está a 150 millones de kilómetros. El Sol es 1 millón 300 mil veces más grande que la Tierra. Así, casi cualquier valor que uno diga de distancia, dimensiones o velocidades de objetos astronómicos suelen ser números grandes. Y eso que solo me restringí al Sistema Solar. La distancia entre estrellas, el tamaño de nuestra galaxia y la distancia a la galaxia más cercana ya son cifras casi imposibles de dimensionar en nuestras mentes. Y si nos metemos con los fenómenos astrofísicos que pululan nuestro Universo la tendencia sigue. De ahí que sea común decir "cifras astronómicas" cuando uno se refiere a cantidades extravagantemente grandes, como por ejemplo, la riqueza de Bill Gates o lo que se han robado muchos gobernadores.


En las laderas de la montaña más alta de México, el Pico de Orizaba, se construyó un observatorio cuyas cifras tal vez no son astronómicas pero también son grandes. Está a más de 4000 metros sobre el nivel del mar y cubre un área de 22 mil metros cuadrados. Para poder estudiar el universo utiliza 60 millones de litros de agua y 1200 sensores que observan fantasmagóricos destellos de luz en esta agua. Todo esto repartido en 300 tanques de acero tan anchos como una portería de futbol y el doble de alto. Se llama el High Altitude Water Cherenkov observatory, HAWC.


Observatorio HAWC bajo la luz de la Luna.

Resulta que hay fenómenos en el Universo que son capaces de producir luz con energías extremadamente altas. Este tipo de luz se le conoce como rayos gamma. Este tipo de luz fue descubierta por el francés Paul Villard, cuando estudiaba la radiación del elemento radio en el año 1900. En ese entonces no se sabía exactamente qué era la radiación y se clasificaba según que tanto penetraba en diversos materiales. Así, la radiación menos penetrante se le puso alpha, luego beta. La que descubrió Villard le correspondería gamma, pero este nombre se lo puso Ernest Rutherford tres años después. No fue si no hasta 1914 que Rutherford descubriría, junto con Edward Andrade, que estos rayos gamma son luz pero de muy alta energía.


En las clases de física de secundaria y prepa nos enseñan que la unidad de energía (en el Sistema Internacional) es el joule (J). Pero cuando se trata de fenómenos atómicos o nucleares los físicos prefieren usar una escala de energía en la que no tengan que estar escribiendo tantos números. De otra manera, para escribir la energía que se necesitaría para sacar un electrón del átomo tendrían que usar valores tipo 0.000000000000001 J. Entonces, utilizan otra unidad llamada electronvolt (eV). Esta es la energía que adquiere un sólo electrón si es acelerado a través de una unidad de voltaje. Así, por ejemplo, una pila AA, de 1.5 volts, va a acelerar un electrón hasta darle una energía de 1.5 electronvolts. Si utilizamos esta escala de energía para describir la luz, los fotones que forman el color rojo tienen energías de aproximadamente 2 eV mientras que el azul está alrededor de 2.7 eV. Los fotones que observó Paul Villard, es decir, los rayos gamma, tienen energías de cientos de miles de eV.


Los rayos gamma producidos por fenómenos nucleares son los más energéticos que se pueden obtener en la Tierra. Algunos de estos alcanzan energías de millones de electronvolts. Sin embargo, del espacio llegan rayos gamma con energías de miles de millones y hasta billones de electronvolts. De nuevo, los físicos, para no estar gastando tiempo en escribir o decir "miles de millones" o "billones", utilizan los prefijos Mega, Giga o Tera. Estos prefijos se han vuelto de uso común cuando se habla de almacenar información. Un Mega es un millón, un Giga es mil Megas y un Tera es mil Gigas. Así, 1 billón de electrónvolts es simplemente 1 Teraelectronvolt, o 1 TeV. Estas son energías imposibles de reproducir en la Tierra. Imagínense un foco led de unos 6 watts que se han vuelvo populares últimamente, ya que brillan bastante y consumen poca electricidad. Asumiendo que estos brillaran en un solo color específico, digamos, azul, por segundo estarían emitiendo del orden de trillones de fotones. Si cada uno de estos fotones tuviera la energía de un rayo gamma de 1 TeV, para mantener ese foco encendido se necesitaría más de 30 000 veces la energía que consume todo México.


Afortunadamente para la vida en la Tierra, fotones de esa energía llegan muy pocos. Además, resulta que nuestra atmósfera es muy buena para absorber los rayos gamma. Pero esto hace difícil poder estudiarlos. Se han puesto en órbita detectores de rayos gamma pero estos solo pueden detectar los que alcanzan energías de MeV. Y con lo cara que es la tecnología espacial, detectores más grandes ya resultan económicamente inaccesibles. Pero si los rayos gamma se absorben en la atmósfera, esa energía tiene que irse a algún lado.


Un rayo gamma entrando a la atmósfera es como una pelota de beisbol lanzada con mucha fuerza a una cristalería. La pelota en si misma va a romper muchos cristales, pero si tiene la suficiente fuerza, los pedazos de cristal que salgan proyectados van a poder romper más cristales. De una forma análoga, un rayo gamma cuando entra en la atmósfera e interactúa con los átomos ahí presentes va a producir una cascada de partículas subatómicas, principalmente electrones, hasta agotar toda su energía. Esta cascada de partículas puede alcanzar la superficie de la Tierra y es de esta manera que indirectamente se puede estudiar los rayos gamma. Es por eso que HAWC utiliza tanta agua. Estas partículas al entrar en el agua producen pulsos de luz, indicando la posición, dentro del observatorio mismo, y el tiempo de llegada. Es como si en la cristalería se tuviera una cámara de video, que aunque no pudo grabar de donde vino la pelota de beisbol, tenga bien filmado como cayeron los pedazos de cristal. Entendiendo la física de cómo se rompe y salen disparados los pedazos de cristal, es posible no solo saber de dónde vino la pelota si no con qué velocidad viajaba. Así, en HAWC se hacen simulaciones de como es que se forman y propagan las cascadas de partículas en la atmósfera y se comparan con los datos obtenidos. Con esto ha sido posible identificar regiones en el cielo de dónde vienen estos rayos gamma y qué tanta energía tienen.


Esta semana HAWC publicó un catalogo de nuevas regiones en la galaxia de donde han provenido los rayos gamma con energías que superan incluso los 100 TeV. El estudio de estos rayos gamma se tiene que complementar con datos de otros observatorios. Así, lo que han identificado es que estas fuentes de rayos gamma podrían estar asociados con estrellas que murieron en forma de supernova hace miles de años. Una supernova es un fenómeno tan energético y tan luminoso que cuando sucede su brillo puede superar el brillo de una galaxia entera. La explosión lanza hacia el espacio muchos protones a velocidades cercanas a la de la luz y deja en el centro de esta una estrella de neutrones rotando a grandes velocidades. Este tipo de estrella se le conoce como pulsar y produce una corriente intensa de electrones. Estos electrones y protones de alta energía pueden producir los rayos gamma observados por HAWC.


Estos fenómenos pudieran parecer muy desconectados de la Tierra, pero muchos de los elementos que la forman, y por lo tanto, nos forman, fueron en parte producidos en supernovas. No solo eso, tanto los rayos gamma como esos protones que viajan por el espacio con grandes energías, cuando alcanzan la Tierra es posible que hayan influido en la evolución de la vida y por lo tanto, en nuestro origen. Al final, el estudio del Universo, directa o indirectamente, nos puede decir algo más sobre nosotros mismos ¿y acaso no es algo que nos ha atormentado desde que adquirimos conciencia? comprender quienes somos y qué hacemos aquí.


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