El Blog de Jp

Jesús Burgos Martín / Annia Domènech

La fusión nuclear, proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado liberando energía a lo largo del mismo, tiene el potencial de convertirse en una fuente de electricidad limpia, barata y prácticamente inagotable. El caso más simple es el de la fusión del hidrógeno, en el que dos protones deben acercarse lo suficiente como para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía. Este proceso tiene lugar de forma natural en el corazón de las estrellas, y se conoce más o menos desde el año 1932 gracias a los trabajos de Mark Oliphant. A pesar de que hemos sido capaces de lograr la fusión nuclear cuando detonamos algunos modelos de bombas atómicas, lo cierto es que la investigación destinada a lograr un proceso de fusión controlada con fines civiles comenzó en la década de 1950 y hasta hoy no tenemos un producto que funcione.

Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) y de la  Universidad de Columbia han dado un paso muy importante para conseguir -por fin- construir un reactor de fusión funcional. Para ello, utilizaron un imán superconductor de media tonelada de peso, que fue mantenido en “levitación” mediante otro imán similar. Entre ambos imanes se encontraba un gas ionizado o plasma. El plasma, al que muchos se refieren como “el cuarto estado de la materia” para diferenciarlo de los sólidos, líquidos y gases, es en realidad un estado muy difundido en el universo: puede encontrarse en las estrellas, en el viento solar, en la ionosfera y en los rayos. Simplificando mucho, podemos pensar que el plasma es una especie de “sopa” constituida por partículas cargadas eléctricamente, como iones y electrones. El experimento, cuyos resultados fueron publicados el pasado domingo en la revista Nature Physics, ha sido bautizado “Levitated Dipole Experiment” o LDX.

El experimento se desarrolló en los laboratorios del MIT. En los distintos ensayos se comprobó como el imán superconductor, enfriado a -269°C mediante helio líquido, fue capaz de controlar los movimientos de un plasma con una temperatura de 10 millones de grados que estaba contenido en un compartimiento adyacente. Las turbulencias creadas “dieron lugar a una concentración más densa del plasma -una etapa crucial para hacer que se fusionen los átomos- en lugar de aumentar su dispersión como ocurre habitualmente”, explica el MIT en un parte de prensa. Si bien habia sido observado durante la interacción de corrientes de plasma con los campos magnéticos de la Tierra o de Júpiter, este tipo de concentración bajo el efecto de un campo magnético “nunca antes había sido recreado en laboratorio”, afirman desde el MIT. Este enfoque “podría dar lugar a una vía alternativa para lograr la fusión nuclear,” explica Jay Kesner (MIT), uno de los responsables del proyecto LDX junto con Michael Mauel (Universidad de Columbia).

La fisión nuclear que se utiliza en las centrales nucleares actuales consiste en partir los núcleos de los átomos. Este proceso es una enorme fuente de residuos radiactivos. En cambio, la dominar la fusión nos permitiría conseguir una fuente de energía más limpia.

Los códigos de corrección de errores presentes en toda línea digital de comunicación moderna permiten usar Internet o un teléfono móvil con fiabilidad.

Claude Shannon. Fuente: Bell Labs.

Lo más probable es que usted, amigo lector, lea esto a través de la pantalla de su ordenador, pero para que lo pueda leer la información que constituye esta nota ha tenido que viajar un largo trecho. Primero desde un ordenador corriente a un servidor en Utah, y luego desde ese servidor hasta su ordenador (o eventualmente a cualquier otro del mundo). Parte del tramo ha sido por viejos cables de cobre telefónicos y parte por otras vías. Gracias a que la velocidad de transmisión es lo suficientemente alta usted puede ver esta página en una fracción de segundo y ver todas las fotos contenidas en ella en unos pocos segundos más. Pero para que eso sea posible ahora ha habido que recorrer un largo camino teórico. Detrás de ese click de ratón sobre un icono hay mucha tecnología y ciencia.
Hasta hace no tanto los usuarios de ordenadores se conectaban a otros ordenadores a través del módem. En los primeros años ochenta la velocidad de transmisión a través de esos dispositivos llegaba a un máximo de 9,6 kilobits por segundo. Si se intentaba transmitir a más velocidad aparecían un intolerable número de errores que destruían los datos.
Entonces un grupo de ingenieros desarrollaron un sistema de corrección de errores que aumentó la velocidad de transmisión de los modems en un 25%. ¿Se podía aumentar aún más? Todos sabemos ahora que sí fue posible, pero los ingenieros que desarrollaron esos nuevos sistemas contaban con una ventaja: sabían el límite teórico máximo al que se podía transmitir información.
Al igual que un ingeniero industrial sabe que puede aumentar el rendimiento de una máquina térmica (un motor de gasolina por ejemplo) hasta el rendimiento teórico máximo alcanzado por una máquina de Carnot (maquina termodinámica conceptual diseñada en el siglo XIX), los ingenieros de comunicaciones conocían el límite de Shannon.
Claude Shannon publicó en 1948 un artículo que esencialmente creó la disciplina de la teoría de la información. Este trabajo es probablemente uno de los más brillantes trabajos científicos a ojos de los que lo han leído.
Shanon, que trabajo en el MIT desde 1956 al 1978, demostró que un canal de comunicación cualquiera puede ser caracterizado por dos factores: el ancho de banda y el ruido. El ancho de banda es la gama de frecuencias (ópticas, electromagnéticas, eléctricas, etc) que pueden ser usadas para la transmisión de la señal, mientras que el ruido es cualquier cosa que afecta negativamente a esa señal.
Shannon mostró que, dado un canal con un particular ancho de banda y un ruido característico, se puede calcular la velocidad máxima a la que se puede enviar información sin sufrir errores. Llamó a esta velocidad o ritmo de transmisión “capacidad del canal”, pero se conoce ahora como límite de Shannon.
En un canal ruidoso la única manera de alcanzar cero errores es añadir cierta redundancia en la transmisión. Por ejemplo, si usted trata de transmitir un mensaje de tres bits, como 001, puede enviarlo tres veces: 001001001. Si hay un error y se recibe 001011001 en lugar de lo enviado entonces la persona que lo recibe puede estar segura de que lo correcto es 001.
Tal método de añadido de información extra a un mensaje para corregir los errores se denomina código de corrección de errores. Cuanto más ruidoso es el canal más necesidad hay de añadir información extra para compensar los errores. Pero según crece el código la transmisión se hace más lenta, pues se envían más bits de información. El código ideal minimiza el número extra de bits de corrección (con lo que aumenta la velocidad de transmisión de información útil) y maximiza la capacidad de corrección de errores.
Obviamente la estrategia de enviar un mensaje repetido tres veces es un código de corrección terrible. Con este método se disminuye el ritmo de transmisión de información útil a un tercio. Encima es todavía vulnerable a errores, pues si se dan dos errores simultáneos en los lugares adecuados no se puede recuperar el mensaje original.
Shannon creía que era posible construir códigos de corrección mejores. De hecho, fue capaz de demostrar que un canal de comunicación cualquiera debe de haber un código de corrección que permite la transmisión muy cerca del límite de Shannon.
En dicha demostración no se proporcionaba ninguna receta de cómo construir dicho código. En su lugar el trabajo descansaba en el cálculo de probabilidades. Si, por ejemplo, usted quiere enviar cuatro bits de a través de un canal ruidoso entonces hay 16 posibles mensajes de cuatro bits. La demostración de Shannon asignaría a cada unos de esos posibles mensajes su propio código de corrección aleatorio.
Centrémonos en el caso en el que el canal ruidoso requiera 8 bits para transmitir mensajes de 4 bits.
En este caso, el receptor, al igual que el emisor, tendrá un “libro de códigos” que correlacionará los 16 posibles mensajes de 4 bits con 16 códigos de 8 bits. Como hay 256 secuencias posibles de 8 bits hay, como mínimo, 240 que no aparecerán en el libro de códigos. Si el receptor recibe uno de esas 240 secuencias sabrá que un error se ha introducido en el mensaje. Pero de los 16 códigos permitidos sólo habrá probablemente uno que mejor encaje con la secuencia recibida.
Shannon mostró que estadísticamente si se consideran todas las posibles asignaciones a los mensajes con códigos al azar, debe de haber uno que se aproxime al límite de Shannon. Cuanto más largo sea el código más cerca estará de ese límite. Un sistema de 8 bits para codificar mensajes de 4 bits no queda muy cerca de ese límite, pero un código de 2000 bits para un mensaje de 1000 bits sí que se aproxima bastante.
Obviamente el esquema de Shannon no es práctico, pues un libro de códigos que use un código asignado al azar para cualquier mensaje posible, de pongamos 1000 bits, sería enorme (no cabría en ningún disco duro del mundo). Pero la demostración de Shannon nos dice que siempre existe la posibilidad de que existan códigos que se acerquen al mencionado límite, aunque no los conozcamos.
La búsqueda de tales códigos duró hasta la década de los noventa, pero sólo porque el mejor código conocido, e inventado en el MIT, fue ignorado durante 30 años: el creado por Robert Gallager.

En 1993 Alain Glavieux y Claude Berrou de la École Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne presentaron en un congreso una serie de códigos sobre los que afirmaban que estaban a mitad de camino del límite Shanon (todo un logro). Como no venían del campo de la Teoría de la Información y no tenían pruebas formales elegantes de tal afirmación, los asistentes casi se rieron de ellos en sus caras. Sin embargo, más tarde se demostró que tenían razón. A estos códigos se les llamó “turbo-códigos”.
Los turbo-códigos son iterativos y se basan en suponer cuál es el mensaje codificado. Cada suposición sucesiva se utiliza de semilla en el decodificador y como resultado se obtiene con el tiempo una propuesta cada vez más refinada. Idealmente, repitiendo el proceso una y otra vez, se puede conseguir que el error sea tan pequeño como se quiera.
Los buenos resultados obtenidos por los turbo-códigos hicieron que algunos científicos investigarán en el campo, descubriendo por el camino que un conjunto de códigos descubiertos en 1960 por Robert Gallager funcionaban tan bien como los turbo-códigos. Al parecer esos códigos tan buenos habían pasado desapercibidos hasta entonces.
Los códigos Gallaer usan lo que se llama bits de paridad, que son bits extras que contienen información acerca del mensaje. Un bit de paridad puede indicar, por ejemplo, si la suma de un triplete específico de bits de un mensaje es par o impar, el siguiente bit de paridad dice lo mismo sobre el siguiente triplete y así sucesivamente. Bajo este esquema la información de dos bits del triplete expresa información relevante acerca del tercero. Iterativamente se pueden ir probando sucesivas suposiciones al mensaje que converjan a una que se aproxime todo lo que se quiera al mensaje original.
A día de hoy los códigos de Gallager son la mejor aproximación conocida al límite de Shannon para un canal de comunicación dado, incluso mejores que los turbo-códigos. Están integrados en las líneas de transmisión de datos. Incluso en cada ordenador o teléfono móvil actuales se pueden encontrar chips dedicados para decodificar códigos de Gallager. Mientras tanto Gallager, que no sospechó lo buenos que sus códigos podían ser, es todavía profesor emérito en el MIT.
Así que si ahora usted puede usar su teléfono celular o descargarse esta página web es porque antes, unos señores, con lápiz y papel, desarrollaron los trucos necesarios para que eso sea posible.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=2984

Credito Foto: Alberto Montt

La Sociedad Española de Astronomía (SEA) ha realizaron muchas actividades divulgativas durante el Año Internacional de la Astronomía 2009. Una de estas actividades fue la elaboración de un diccionario de términos astronómicos, principalmente dirigido a estudiantes de bachillerato y a profesores de ciencias. En él se definen algunos conceptos astronómicos tales como planeta, estrella, agujero negro, galaxia…

Este diccionario ha ido apareciendo en la página que El País digital dedicó a la Astronomía durante el año 2009 y actualmente lo podéis encontrar también en la página de la Sociedad Española de Astronomía dentro del apartado Terminología.

Posteriormente, ha sido editado un libro con una selección de términos llamado “100 CONCEPTOS BÁSICOS DE ASTRONOMÍA”

Saludos!

¿Hay alguien ahí fuera? En el caso de Alejandro Jenkins, la cuestión se refiere no sólo a si hay vida en algún lugar del universo, sino si existe en otros universos fuera del nuestro.

Aunque podría ser una idea desconcertante de sopesar para una persona común, está en el trabajo cotidiano de Jenkins, asociado posdoctoral en física teórica de alta energía en la Universidad Estatal de Florida. De hecho, sus profundas ideas sobre el hipotético “multiverso” – piensa en él como un mega-universo lleno de numerosos universos menores, incluyendo el nuestro — están recibiendo ahora atención mundial, gracias a un artículo de portada que co-escribió en el ejemplar de enero de 2010 para la revista Scientific American.

En “Buscando vida en el multiverso”, Jenkins y el co-autor Gilad Pérez, teórico del Instituto Weizmann de Ciencia en Israel, discuten una provocadora hipótesis conocida como el Principio Antrópico, la cual afirma que la existencia de vida inteligente (capaz de estudiar procesos físicos) impone restricciones sobre la posible forma de las leyes de la física.

“Nuestras vidas en la Tierra – de hecho, todo lo que vemos y sabemos sobre el universo que nos rodea – dependen de un conjunto preciso de condiciones que nos hacen posibles”, dijo Jenkins. “Por ejemplo, si las fuerzas fundamentales que dan forma a la materia en nuestro universo se alterasen sólo ligeramente, sería concebible que los átomos nunca se formasen, o que el elemento carbono, considerado un bloque básico para la vida como la conocemos, no existiera. Entonces, ¿cómo es que existe este equilibrio tan perfecto? Algunos lo atribuirían a Dios, pero por supuesto, esto está fuera del dominio de la física”.

La teoría de la “inflación cósmica”, que se desarrolló en la década de 1980 para resolver ciertos problemas sobre la estructura de nuestro universo, predice que el nuestro es sólo uno entre incontables universos que surgen a partir del vacío primordial. No tenemos forma de ver esos otros universos, aunque muchas del resto de predicciones de la inflacción cósmica han sido corroboradas recientemente mediante medidas astrofísicas.

Dadas algunas de las actuales ideas científicas sobre la física de alta energía, es plausible que esos otros universos puedan tener cada uno distintas interacciones físicas. Por lo que tal vez no es un misterio que estemos ocupando el extraño universo en el que las condiciones son justo las adecuadas para hacer posible la vida. Esto es análogo a cómo, de entre los muchos planetas de nuestro universo, ocupamos uno raro donde las condiciones son las adecuadas para la evolución orgánica.

“Lo que teóricos como el Dr. Pérez y yo hacemos es revisar los cálculos de las fuerzas fundamentales para predecir los efectos resultantes en posibles universos alternativos”, dijo Jenkins. “Algunos de estos resultados son fáciles de predecir; por ejemplo, si no hubiese fuerza electromagnética, no habría átomos ni enlaces químicos. Y sin gravedad, la materia no se agruparía en planetas, estrellas y galaxias.

“Lo sorprendente de nuestros resultados es que hemos encontrado condiciones que, aunque son muy distintas de las de nuestro unvierso, no obstante podría permitir – de nuevo, al menos hipotéticamente — la existencia de vida. (Qué aspecto tendría esa vida es otra historia completamente diferente). Esto nos lleva a la cuestión de la utilidad del Principio Antrópico cuando se aplica a la física de partículas, y podría forzarnos a pensar en más detalle sobre qué podría contener realmente el multiverso”.

“Buscando vida en el multiverso” puede comprarse, o acceder al mismo a través de la suscripción a Scientific American, en el sitio web de la revista. El ejemplar de enero también se vende actualmente en todo Estados Unidos.

“Tener un artículo en Scientific American es un logro magnífico, pero ser seleccionado para la historia de portada es realmente especial”, dijo Mark Riley, Catedrático del Departamento de Física de la Estatal de Florida. “Mis felicitaciones al Dr. Jenkins y a nuestro Grupo de Física de Alta Energía”.

Jenkins está graduado por la Universidad de Harvard y el Instituto Tecnológico de California, y ha llevado anteriormente a cabo investigación de posgraduado sobre el tema de los universos alternativos mientras estaba en el Institito Tecnológico de Massachusetts (MIT). A pesar de todo su aprendizaje, no obstante, el artículo de Scientific American fue inesperado.

“Estoy muy orgulloso de nuestra investigación, pero para ser honesto, creo que esto tiene algo que ver con el hecho de que la gente está intrigada por naturaleza por las ideas especulativas sobre la cosmología y la ‘gran descripción’. La idea de los universos paralelos, en particular, es una que mucha gente encuentra apasionante”, comenta Jenkins.

“La actual temporada de “Padre de Familia” (Family Guy, una comedia de la cadena de televisión Fox) recientemente se inició con un episodio llamado ‘Road to the Multiverse’, (Camino al Multiverso) el cual estaba bajo la premisa de que se pueden visitar otros universos — aunque eso parece imposible dado lo que conocemos sobre física. No obstante, si existen o no otros universos en realidad, es una cuestión que tiene consecuencias para nuestra comprensión de la física de este mundo. Creo que nuestra investigación genera importantes preguntas a este respecto”.

Via CienciaKanija

La invención de los plásticos a mediados del siglo XIX cambió la civilización humana tan profundamente como lo hicieron antes el dominio del fuego, la metalúrgica del bronce o la fabricación del acero. El invento del primer material plástico se debe a Leo Hendrik Baekeland, quién descubrió una substancia a la que llamó baquelita. Esta sería la primera de una serie de resinas sintéticas que revolucionarían la tecnología moderna, iniciando la llamada “era del plástico”. A lo largo del siglo XX el uso del plástico se hizo extremadamente popular y llegó a sustituir a otros materiales, tanto en el ámbito doméstico, como el industrial y comercial. Estos versátiles polímeros carecen de un punto fijo de ebullición y poseen -dentro de un determinado intervalo de temperaturas- propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones. Sin embargo, su impacto en el medio ambiente -en la fabricación de plásticos  se utilizan grandes cantidades de petróleo- y en la salud constituyen una desventaja significativa que le quita brillo a un material tan útil y económico.

Los plásticos cambiaron la civilización, en el ámbito doméstico, industrial y comercial.

Buscando la forma de reemplazar a los plásticos por algún material de características similares pero sin sus desventajas, los científicos de la Universidad de Tokio, en Japón, han desarrollado una mezcla de arcilla e hidrogel que -esperan- pueda substituir al plástico en un amplio número de aplicaciones, sin poner en peligro las personas o el planeta. Takuzo Aida, el responsable del equipo que llevó a cabo este trabajo, mezcló unos pocos gramos de arcilla con 100 gramos de agua en presencia de pequeñas cantidades de un agente espesante conocido como poliacrilato de sodio y un “pegamento molecular orgánico”. El agente espesante ayuda a distribuir la arcilla en láminas delgadas, aumentando su superficie y permitiendo que el pegamento mencionado logre un mejor control sobre ella. El resultado es una mezcla compuesta aproximadamente por un 98% de agua, que forma un hidrogel transparente y elástico, con una resistencia mecánica lo suficientemente importante como para ser capaz de crear un puente autosostenido de 3,5 centímetros de ancho.

Una vez dispuestos los materiales, el gel se forma en sólo 3 minutos.

Los hidrogeles son sustancias en estado coloidal con apariencia sólida como la albúmina coagulada por el calor o la gelatina gelificada por enfriamiento. Los científicos han estado utilizando diferentes clases de hidrogeles en la medicina desde la década de 1980, pero su falta de rigidez y durabilidad limitaba su utilización en otros ámbitos. Sin embargo, al añadir una pequeña cantidad de arcilla a la mezcla, Aida y sus investigadores han logrado proporcionar al hidrogel la rigidez necesaria para hacerlo un material mucho más versátil. La arcilla fortalece el hidrogel porque el polímero utilizado para enlazar el agua con el gel también se adhiere a la arcilla, al agua, y otras cadenas de polímeros. Aferrándose a todos estos elementos, el polímero forma un andamiaje rígido sobre el que se apoyan las otras moléculas, creando un material sólido.

La resistencia del nuevo material proviene de la suma de las fuerzas que actúan entre las moléculas en las nanocapas de arcilla y pegamento, explica Aida. Estas fuerzas, llamadas “fuerzas supramoleculares”, son semejantes a la de los enlaces del hidrógeno y también ayudan a atrapar las moléculas de agua entre las láminas de arcilla. Algunos hidrogeles ensayados con anterioridad dependían de los enlaces químicos covalentes para obtener su resistencia. Pero cuando se rompían los enlaces covalentes, el material perdía irreversiblemente su rigidez. En cambio, las fuerzas supramoleculares se pueden “regenerar” fácilmente, y si el material resulta dañado por el estrés mecánico puede recuperar rápidamente su resistencia original. Una vez dispuestos los materiales en el tubo de ensayo, el gel se forma en sólo 3 minutos. Cualquiera puede hacerlo en su casa sin necesidad de comprender los procesos químicos involucrados. “Uno de los principales avances de este material es la simplicidad general del procedimiento de fabricación, además de las excepcionales propiedades físicas que posee la estructura resultante”, dice Craig Hawker, un científico de la Universidad de California que no participó en el estudio.

El material está compuesto por un 98% de agua.

Al estar constituido básicamente por agua, barro y sólo un poco de polímero, el nuevo material no tiene ninguna de las propiedades tóxicas de plástico. En un artículo publicado en la revista Nature,  Takuzo Aida explica que “para fortalecer el material simplemente basta con aumentar las cantidades de arcilla, poliacrilato de sodio y cola, siempre que la transparencia no sea importante.” Unas de las grandes incógnitas que surgen al analizar el nuevo material es su costo. En efecto, si queremos eliminar los “ecologicamente incorrectos” plásticos de nuestra civilización necesitamos un material que no solo tenga sus ventajas estructurales y adolezca de sus limitaciones, sino que además sea -como mínimo- tan barato como lo que se quiere reemplazar. Es muy pronto para estimar cuanto costará una pieza del hidrogel de Takuzo Aida, ya que nadie ha construido una planta capaz de fabricarlo en cantidades industriales. Fabricar las pequeñas muestras que se han usado a lo largo de la investigación no ha sido barato, pero puede ser que una vez industrializado su valor descienda notablemente. Si el costo no es un problema, el nuevo  material podrá ser considerado como un reemplazo viable para el plástico, al menos cuando se haya determinado que realmente cumple con lo que promete.

Via NeoTeo

Una vieja y pesada estrella se encuentra a punto de experimentar una muerte espectacular. A medida que su reserva de energía nuclear disminuye, la estrella comienza a colapsar bajo su propio y enorme peso. La aplastante presión en su interior se dispara, provocando de este modo nuevas reacciones nucleares (que constituyen el escenario perfecto para una espeluznante explosión). Pero luego… no ocurre nada.

Al menos esa es la información que los astrofísicos han estado recibiendo de sus supercomputadoras durante décadas. Muchos de los mejores modelos de las explosiones de supernovas realizados por computadora no han logrado producir una explosión. En cambio, y de acuerdo con estas simulaciones, la gravedad sale victoriosa de la pelea y la estrella simplemente colapsa.

Queda claro entonces que a los físicos se les está escapando algo.

Modelo, creado por computadora, de una supernova que rota velozmente y cuyo centro colapsará. Las observaciones que ha realizado el telescopio NuSTAR de remanentes de supernova reales proporcionarán datos de suma importancia para los modelos y ayudarán a explicar el modo en que las supernovas masivas logran explotar. Crédito: Fiona Harrison/Caltech.

«Verdaderamente, todavía no entendemos cómo es que funcionan las supernovas que son producto de estrellas masivas”, dice Fiona Harrison, una astrofísica del Instituto de Tecnología de California. Entendemos mucho mejor la muerte de estrellas relativamente pequeñas pero respecto de las estrellas más grandes (aquellas que tienen casi nueve veces la masa del Sol), la física simplemente no ofrece una explicación.

Algo debe de estar ayudando a esa fuerza de radiación a empujar hacia afuera, y a otras presiones, para ganar la pelea contra la gravedad, que ejerce su fuerza hacia el interior de la estrella. Para descubrir ese «algo”, los científicos deben examinar el interior de una supernova verdadera durante su proceso de explosión, ¡lo cual no es particularmente fácil de hacer!

Pero eso es exactamente lo que Harrison se propone, utilizando un nuevo telescopio espacial llamado Conjunto de Telescopios Espectroscópicos Nucleares o NuSTAR, por su sigla en idioma inglés, que la investigadora se encuentra desarrollando junto con sus colegas.

Una vez que despegue a bordo del cohete Pegasus, en 2011, el NuSTAR proporcionará a los científicos una vista sin precedentes de los rayos-X de alta energía que provienen de remanentes de supernova, agujeros negros, blazars y otros fenómenos cósmicos extremos. NuSTAR será el primer telescopio espacial capaz de enfocar estos rayos-X de alta energía, produciendo imágenes que son casi cien veces más claras que las que pudieron obtenerse con los telescopios anteriores.

Usando el NuSTAR, los científicos buscarán pistas que les ayuden a determinar las condiciones que reinan en el interior de una estrella en explosión, grabadas en el patrón de elementos dispersos en la nebulosa que queda luego de que la estrella explota.

Concepto artístico del NuSTAR. La óptica para enfocar rayos-X requiere longitudes focales muy largas; de allí el mástil desplegable de 10-metros de largo, el cual se extiende después del lanzamiento.

«No se tiene muy a menudo la posibilidad de ver este tipo de explosiones; las que se producen lo suficientemente cerca como para estudiar en detalle”, dice Harrison. «Lo que sí podemos hacer es estudiar los remanentes. Tanto la composición como la distribución del material en los remanentes ofrecen mucha información sobre la explosión”.

Un elemento en particular es de singular importancia: el titanio-44. La creación de este isótopo de titanio, por medio del proceso de fusión nuclear, requiere una combinación específica de energía, presión y materias primas. En el interior de la estrella que colapsa, esa combinación se desarrolla a una profundidad muy especial. Todo lo que se encuentre por debajo de ese nivel de profundidad sucumbirá a la fuerza de gravedad y colapsará sobre sí mismo formando de ese modo un agujero negro. Todo lo que esté sobre ese nivel de profundidad saldrá disparado hacia afuera durante la explosión. El titanio-44 tiene su origen justo en la cúspide.

Entonces, el patrón relacionado con la manera en que el titanio-44 yace dispersado a través de una nebulosa puede revelar muchísimo acerca de lo que ocurrió en el umbral crucial de la explosión. Esa información podría servir a los científicos para descubrir los errores en sus simulaciones realizadas por computadora.

Algunos científicos están convencidos de que los modelos existentes realizados por computadora son demasiado simétricos. Hasta

El telescopio NuSTAR construirá un mapa de la distribución del titanio-44 en remanentes de supernova como este, Cassiopeia A, buscando evidencia de asimetrías. Crédito de la imagen: Observatorio Chandra de Rayos-X

hace poco tiempo, incluso con poderosas supercomputadoras, los investigadores sólo han podido simular una porción uni-dimensional de la estrella. Ellos asumen que el resto de la estrella se comporta de manera similar, de modo que diseñan la simulación de la implosión en todas las direcciones radiales.

Pero, ¿qué sucedería si lo que asumen es incorrecto?

«Las asimetrías podrían ser la clave”, dice Harrison. En un colapso asimétrico, las fuerzas que apuntan desde el centro de la estrella hacia afuera podrían ser capaces de vencer en algunos lugares, aun cuando la aplastante fuerza gravitatoria salga victoriosa en otros. De hecho, algunas simulaciones bi-dimensionales llevadas a cabo recientemente sugieren que las asimetrías podrían ayudar a esclarecer el misterio de «la supernova que no explota”.

Si el NuSTAR observara que el titanio-44 se encuentra distribuido de manera desigual, eso podría representar evidencia de que las explosiones mismas también fueron asimétricas, explica Harrison.

Para poder detectar el titanio-44, el NuSTAR tiene que ser capaz de enfocar rayos-X de muy alta energía. El titanium-44 es radioactivo y, cuando se descompone, libera rayos gamma con la energía de 68 kilo-electronvoltios (keV). Los telescopios de rayos-X existentes, tal como el Observatorio Chandra de Rayos-X, de la NASA, sólo pueden concentrar rayos-X con energía de aproximadamente hasta 15 keV.

Las lentes normales no son capaces de concentrar los rayos-X. El vidrio provoca un pequeño desviamiento de los rayos-X, de modo que para que una lente hecha de vidrio sea capaz de desviar los rayos-X lo suficiente como para poder concentrarlos, tendría que ser tan gruesa que terminaría absorbiendo estos rayos en lugar de desviarlos.

Los telescopios que detectan rayos-X utilizan un tipo de lente completamente diferente. Se llama óptica Wolter-I y está compuesta por muchas capas en forma cilíndrica, cada una de ellas un poco más pequeña que la anterior y colocada en el interior de la anterior capa. El resultado es una especie de cebolla cilíndrica (si tal cosa existiera) con pequeños espacios entre las capas.

La “trayectoria de luz” de los rayos-X de la cámara EPIC del satélite XMM-Newton, un diseño Wolter-I muy parecido al utilizado por el NuSTAR. Crédito: ESA/ESTEC.

Los rayos-X que ingresan pasan entre estas capas, las cuales los guían hacia la superficie focal. Estrictamente hablando, no se trata de una lente, porque los rayos-X son reflejados desde las superficies en vez de pasar a través de estas del mismo modo en que la luz pasa a través de una lente de vidrio. No obstante, el resultado final es el mismo.

La óptica Wolter-I del telescopio NuSTAR contiene un revestimiento especial de precisión atómica, el cual hace que sus capas puedan reflejar rayos-X con energías tan altas como 79 keV. Harrison y sus colegas han dedicado años al perfeccionamiento de las delicadas técnicas de construcción de estas capas de alta precisión. Junto con un nuevo sensor que es capaz de soportar estas altas energías, tales capas, fabricadas cuidadosamente, son lo que permite al NuSTAR obtener imágenes de estos rayos-X de alta energía, que están relativamente inexplorados.

Y los descubrimientos no cesarán con las supernovas. Muchos de los fenómenos más extremos, los cuales incluyen a los agujeros negros super masivos y a los blazars, emiten rayos-X de alta energía. El NuSTAR nos dará una nueva ventana a un universo en su carácter más extremo.

Artículo publicado en Ciencia@MASA, su autor es Patrick Barry y la traducción el español es de Iris Mónica Vargas.