Archivo por meses: mayo 2012

Los sonidos del espacio

El espacio vacío entre planetas y estrellas no permite que el más mínimo sonido se propague de un cuerpo a otro. Ahora bien, como muchos radioaficionados saben las ondas capturadas por una radio convencional capturan también diferentes fuentes de ruido dependiendo del estado de la atmósfera. Algunos de estos ruidos proceden en realidad del espacio anterior y su descubrimiento constituye uno de los muchos fascinantes capítulos de la historia de la astronomía.

El nacimiento de la radioastronomía

En los años 30 las comunicaciones por radio estaban extendiéndose a lo largo del mundo entero y los laboratorios Bell, pioneros de la telefonía en Estados Unidos, estaban interesados en determinar si la comunicación trasantlántica por radio podría ser posible sin que las ondas de radio sufrieran interferencias por causas naturales. Uno de los ingenieros de la compañía, Karl Jansky recibió el encargo de investigar esta delicada cuestión. Se sabía por aquel entonces que los sonidos transmitidos por las señales de radio sufrían de interferecias y ruidos debido a la actividad eléctrica de tormentas y relámpagos. ¿Habría otras fuentes de radio que impedieran conectar por radio Europa y los Estados Unidos? Jansky descubrió que así era y que este ruido tenía un origen astronómico pues tenía un periodo de 24 horas. Afinando sus observaciones Jansky descubrió que el ruido procedía del centro de la Vía Láctea y que se intensificaba también cuando sus antenas apuntaban hacia el Sol. Había nacido la radioastronomía, pero había nacido en un mal momento. Era el año 1933 y en la américa de la Gran Depresión los laboratorios Bell decidieron no seguir pagando los costes de la investigación de Jansky. Aún así, unos años más tarde varios ingenieros construyeron sus propios radiotelescopios caseros que les permitieron fundar el campo de la radioastronomía y escuchar los sonidos del espacio.

 

Radiotelescopios_Jansky_Grote

Primeros radiotelescopios. Karl Jansky utilizó un conjunto de antenas de gran tamaño alrededor de 1930 (izquierda) con el que realizó su descubrimiento fundacional. En 1937 el ingeniero Grote Reber construyó el primer radiotelescopio capaz de determinar la dirección de las radiofuentes. Lo construyó en el jardín de su casa costeando personalmente su construcción (derecha).

Los sonidos del espacio

Si nos pudiéramos poner en el lugar de Jansky o Reber hubiéramos podido escuchar la señales de radio del Universo. El tipo de sonidos que hubiéramos podido escuchar es el siguiente (pincha en los enlaces para escuchar el audio):

  • Emisión de radio procedente del Sol. Si nuestro radiotelescopio lo fueramos orientando en la dirección del Sol podríamos escuchar algo parecido a este sonido. Comienza con la emisión de fondo de la galaxia y se intensifica después. La emisión de radio del Sol es variable y depende de la intensidad de la actividad magnética del Sol. Cuando hay grandes manchas solares, protuberancias y tormentas magnéticas las emisiones de radio del Sol se intensifican enormemente.
  • Estallidos de radio de Júpiter (tipo S). El siguiente objeto emisor de ruido de radio y de señales radioastronómicas es el planeta Júpiter, o más bien su inmenso campo magnético 5 veces más intenso que el terrestre pero extendiéndose en una inmensa magnetosfera de centenares de millones de km. Las partículas del viento solar atrapadas por el campo magnético del planeta producen una gran variedad de señales de radio.

Más señales de radio del Sistema Solar

Naturalmente se pueden capturar señales de radio en multitud de frecuencias. Si capturamos algunas emisiones de radio y “traducimos” sus frecuencias a sonidos audibles por el oído humano podemos crear sonidos fantasmagóricos llenos de estructura e información. Dos ejemplos ligados al planeta Saturno:

  • Cassini_Auroras_RPWSAuroras de Saturno capturadas por la misión Cassini. Este sonido fantasmagórico corresponde a 27 minutos de observaciones de radio por parte del instrumento RPWS en la misión Cassini. A los científicos del instrumento les gusta representar este sonido como una figura la que se muestra la intensidad y la frecuencia de la señal simultaneamente. La estructura de la imagen se corresponde a las modulaciones de frecuencias e intensidades en el audio.

 

  • WhistlerSilbidos asociados a relámpagos y el campo magnético de Saturno. A veces los relámpagos “liberan” carga en las capas altas de la ionosfera del planeta que son capturadas por el campo magnético del planeta viajando a través de las líneas de campo magnético. El esquema de la derecha representa un “whistler” terrestre pero el sonido corresponde a observaciones en radio de este fenómeno en Saturno.

 

Sonidos de estrellas pulsantes

Un tipo particularmente interesante de estrellas en radio astronomía son los púlsares. Restos de supernovas, estrellas masivas que explotaron hace tiempo y que han dejado un núcleo estelar extremadamente comprimido girando rápidamente. Cada rotación, si su alineación es correcta, podemos recibir un pulso de ondas de radio de estos púlsares. Su frecuencia oscila, algunas de estas estrellas tardan en dar una vuelta tan solo unos pocos milisegundos!

  • PulsarPúlsar B0329: Este púlsar tiene un periodo de rotación de 0.7 segundos como se puede apreciar en los pulsos de sonido en el audio.
  • Púlsar de Vela: Este púlsar, mucho más rápido tiene un periodo de rotación de solo 89 milisegundos (11 pulsos por segundo).
  • Púlsar de la nebulosa del Cangrejo: Uno de los más rápidos con un periodo de rotación de solo 33 milisegundos (30 pulsos por segundo). Su sonido parece el de una ametralladora.
  • Púlsar B1937+21. El segundo pulsar más rápido conocido. Rota sobre si mismo 642 veces por segundo!

Por supuesto, estos son solo algunos ejemplos de sonidos que podemos capturar en radio procedentes del espacio. Algunos están traducidos a frecuencias audibles por el oído humano, otros son como los escucharíamos con unos auriculares y muchos los reservamos para una próxima entrada en el blog. Sin embargo la radioastronomía permite también obtener imágenes espectaculares de estos objetos. Algunas de estas imágenes, construídas con una técnica denominada interferometría, constituyen as imágenes de mayor resolución espacial que podemos obtener del Universo. Pero de ello hablaremos en una próxima ocasión.

 
Enlaces a más sonidos:
“Sonidos” de radio del Sol.
Los sonidos del espacio de Don Gurnett .
The Sounds of Pulsars.
The Sound of the Big Bang.
 

JUICE: La misión europea a Júpiter

El pasado 2 de mayo la Agencia Espacial Europea (ESA) anunciaba la misión espacial de tipo L (Large) que ha aprobado para su desarrollo durante la próxima década dentro de su programa de misiones científicas Cosmic Vision. Se trata de la misión JUICE a Júpiter, una sonda espacial cuyo objetivo será explorar las lunas heladas de Júpiter, así como el propio planeta gigante. JUICE (acrónimo de Jupiter Icy Moons Explorer) es una propuesta que se ha ido gestando desde el comienzo del programa Cosmic Vision en el año 2004 y que determina las misiones científicas que la ESA desarrollará durante la década 2015-2025. El proyecto JUICE ha recibido diferentes nombres y conceptos en estos 8 años. Anteriormenten fue conocido como Laplace, una parte de de un proyecto más amplio desarrollado en colaboración con NASA. El proyecto actual, más modesto correspondiendo a los tiempos que corren, será una nave alimentada por energía solar que pasará por lo menos 3,5 años dentro del sistema joviano, investigando tres de los cuatro satélites galileanos: Ganímedes, Calisto y Europa así como la atmósfera de Júpiter. Se trata de una misión de caracterización de estos mundos de gran interés astrobiológico, pues en el interior de estos satélites hay océanos de agua líquida y el agua es el ingrediente fundamental para la aparición de la vida. El lema de JUICE es explorar la emergencia de mundos habitables orbitando planetas gigantes. Además abordará otras cuestiones científicas tan importantes como ¿cuáles son las condiciones para la formación de planetas y cómo funciona el sistema solar?.

JUICE seá lanzada en junio de 2022 utilizando un cohete Ariane 5 y llegará al sistema de Júpiter tras un largo periplo por el sistema solar en el año 2030 que le hará sobrevolar tres veces la Tierra y una vez Venus acelerando en cada sobrevuelo planetario en un tipo de maniobra conocida como asistencia gravitacional. El presupuesto global de la misión es de unos 700 millones de euros para el desarrollo de la nave, sus instrumentos científicos, lanzamiento y control posterior en un proyecto que se comenzó a gestar en el año 2004 y que no finalizará hasta el 2033.

 

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Recreación artística de la msión JUICE en una de las órbitas a Júpiter que acercarán JUICE a la luna helada Europa.


 

La exploración espacial de Júpiter

 
Júpiter ha sido visitado ya por varias sondas espaciales. Las misiones Pioneer en los años 70 y Voyager a comienzos de los 80 sobrevolaron Júpiter y nos mostraron por primera vez imágenes de algunos de sus satélites mayores. En el año 1995 una sonda llamada Galileo se internó en la densa atmósfera de Júpiter enviándonos datos únicos de este planeta gigante. Además de la sonda, un orbitador exploró Júpiter y sus lunas durante los años 1995 al 2000. Fue precisamente la misión Galileo la que aportó datos inequívocos de la presencia de océanos líquidos ocultos bajos las superficies congeladas de los satélites Ganímedes, en menor medida Calisto y sobre todo en el mundo helado Europa. Posteriores sobrevuelos por parte de la misión Cassini en el 2004 y la sonda Nuevos Horizontes en el 2007 permitieron obtener datos importantes sobre la atmósfera del planeta pero no sobre los satélites manteniéndo sus misterios ocultos.
 
La misión JUICE deberá explorar las implicaciones astrobiológicas de estos los subsuperficiales descubiertos por la sonda Galileo en las lunas heladas de Júpiter. Teniendo en cuenta que la gran mayoría de planetas extrasolares descubiertos hasta la fecha orbitando otras estrellas son semejantes a Júpiter (enormes gigantes gaseosos) y que posiblemente puedan tener complejos sistemas de satélites como los de Júpiter, las preguntas astrobiológicas que ayude a responder JUICE en Júpiter pueden tener implicaciones globales para nuestra comprensión de la vida en el Universo.

 

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Los satélites galileanos de Júpiter represantos a escala de tamaño con respecto a la la Gran Mancha Roja de Júpiter. Ganímedes domina la escena con sus 5260 km de diámetro. Europa, el mundo helado con grietas en su superficie y ausencia de cráteres tiene un tamaño de unos 3100 km de diámetro que le hacen comparable en tamaño a nuestra Luna. Entre los objetivos de la misión JUICE a Júpiter está explorar la formación de estos mundos y las implicaciones astrobiológicas que tienen los océanos líquidos subsuperficiales de Ganímedes y Europa.


 

Océanos líquidos y esperanzas de vida

 
Ganímedes es la única luna del sistema solar que genera su propio campo magnético. Se piensa que su origen está en un océano líquido salino bajo la corteza helada y craterizada de la mayor luna del sistema solar. Europa tiene en su superficie enormes grietas que muestran el deslizamiento de inmensas placas de hielo. No sabemos si estas placas de hielo pueden tener unas decenas de kilómetros de espesor o unos centenares, pero incluso en ausencia de la luz solar este océano profundo de Europa es uno de los lugares más interesantes del Sistema Solar desde el punto de vista astrobiológico. Por todo ello los instrumentos de JUICE estudiarán la capacidad de las lunas para albergar vida explorando a temperatura, la presión y otros factores que permiten la existencia de organismos en la Tierra. La razón por la que mundos helados como estos tienen océanos líquidos en su interior reside en el propio planeta Júpiter que con su gravedad ejerce fuerzas de marea intensas que calientan el interior de los satélites más cercanos. Ío, la luna más interna posee inmensos volcanes de azufre, Europa una fina corteza helada y Calisto y Ganímedes, más alejados, cortezas más espesas pero con agua líquida en su interior.

 

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Detalle de alta resolución de la superficie de Europa mostrando grietas en el hielo de su superficie. La imagen derecha incorpora posibles escenarios para la distribución vertical de hielo en las cortezas de Ganímedes y Europa. Las posibilidades más interesantes son las dadas para Europa. El diagrama 3 describe una capa superior helada gruesa (de más de 10 km de espesor) y un profundo océano y la 4 con una capa helada delgada (3-4 km). En Ganímedes el diagrama 2 muestra una estructura en 3 capas con un océano líquido profundamente enterrado pero con la capacidad de intercambiar líquido con el manto inferior.


 

Otros objetivos científicos

 
No sería justo no mencionar también otros objetivos científicos que acomete la misión JUICE. El estudio de la formación del planeta y sus lunas, la interacción magnética intensa entre el campo magnético de Júpiter (50 veces más intenso que el terrestre) y el viento solar. Esta interacción es tan intensa que la magnetosfera de Júpiter se extiende de tal modo que si fuera visible sería el objeto más grande del cielo nocturno. También es importante el estudio de la interacción del campo magnético del planeta con el de su satélite Ganímedes y por supuesto la propia atmósfera del planeta Júpiter enormemente dinámica. En particular JUICE permitirá estudiar la atmósfera de Júpiter tanto desde el punto de vista de la circulación atmosférica como de la estructura vertical de la atmósfera y composición química. De especial relevancia es el hecho de que Júpiter es el mejor modelo que tenemos para entender los planetas extrasolares de tipo gigante gaseoso descubiertos por centenas en las últimas décadas.


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Esquema de los objetivos científicos relacionados con el estudio de la atmósfera del gigante gaseoso. Figura procedente del libro amarillo de la misión JUICE.


 

2012-2022: Sin tiempo que perder

 
La planificación de una misión tan compleja como esta requiere décadas enteras de desarrollo. Aunque el horizonte del lanzamiento se ve lejano es ahora el turno de desarrollar la tecnología que integrará JUICE y en particular sus instrumentos científicos. JUICE deberá incorporar instrumentación científica sofisticada para extraer el máximo provecho de la misión. Júpiter es además un entorno hostil ya que su fuerte campo magnético acelera partículas del viento solar convirtiendo las órbitas de los satélites galileanos en entornos cargados de alta radiación. Por ello los sensibles instrumentos de JUICE deberán estar protegidos contra esta radiación, escudados de las inclemencias del espacio como en ninguna misión espacial anterior. El modelo preliminar de la nave JUICE lleva una carga científica constituida por múltiples instrumentos capaces de acometer los objetivos científicos previstos. Se obtendrán imágenes en diferentes rangos de longitudes de onda desde el infrarrojo al ultravioleta. Se obtendrán mapas por altimetría láser de la superficie de las lunas de Júpiter, se explorará su interior mediante radares capaces de penetrar en sus cortezas heladas, se medirá el campo magnético de Ganímedes y su interacción con el potentísimo magnetismo de Júpiter y se explorará en ondas de radio las emisiones del planeta y los satélites.

Desde un punto de vista más personal comencé mi carrera científica en el año 1996 estudiando la atmósfera de Júpiter y nuestro grupo de investigación, el Grupo de Ciencias Planetarias de la UPV/EHU dirigido por Agustín Sánchez-Lavega tiene una larguísima trayectoria en este campo. He podido seguir las visicitudes de este mundo y su atmósfera en los últimos 15 años. Grandes tormentas jovianas, impactos de asteroides, regiones calientes del planeta y estructuras polares desconocidas hasta hace poco me mostraron el camino de baldosas amarillas de la ciencia que me llevaría más tarde a explorar otros mundos y compartir la fascinación por el Universo. Será ciertamente fascinante seguirle la pista a Júpiter participando en la preparación de la misión JUICE y analizando sus datos científicos durante los próximos 15-20 años.

 
Enlaces externos:
JUICE: Europa en Júpiter (blog EUREKA)

 

La estructura del Universo

Cuando observamos el cielo nocturno vemos estrellas en diferentes puntos. Todas ellas pertenecen a nuestra propia galaxia: la Vía Láctea, pero hay muchas más galaxias en el Universo, algunas cercanas y otras más lejanas y surge la pregunta de si hay un orden o estructura en su distribución. ¿Son las galaxias las estructuras mayores que podemos encontrar en el Universo o hay estructuras aún mayores descubiertas por la astronomía? En realidad las galaxias se distribuyen en grupos de galaxias (cúmulos galácticos) dejando inmensas regiones de espacio vacío entre los cúmulos. Algunos de estos cúmulos se agrupan en estructuras aún mayores (supercúmulos) y los mayores de ellos reciben el nombre de Gran muralla. Estas superestructuras tienen una estructura peculiar (los matemáticos dirían fractal) que se repite en escalas espaciales diferentes. Podríamos decir que las Galaxias se distribuyen en filamentos alargados en los que se repiten estructuras comunes en tamaños muy diversos como en una tela de araña tridimensional. Sin embargo, si queremos comprender la magnitud de estas escalas de tamaño deberemos empezar por preguntarnos algunas cosas básicas sobre el tamaño del Universo observable, las galaxias y las distancias que las separan.

La orilla del océano cósmico

 

Vista panorámica de la Vía Láctea desde la Tierra.

Vista panorámica de la Vía Láctea desde la Tierra.


 
Una galaxia como la Vía Láctea es tan grande que la luz emitida por las estrellas en uno de sus estremos tarde en alcanzar el otro extremo de la galaxia unos 100.000 años. Como la luz viaja a la friolera de 300.000 kilómetros por segundo la esta distancia equivale a uno 1000 billones de kilómetros. Para evitar dar números tan grandes (y espeluznantes!) los astrónomos utilizan otras unidades de distancia basadas en el año luz años luz. Nosotros diremos que la Vía Láctea tiene un diametro de 100.000 años luz. La Galaxia entera gira sobre su núcleo en unos 15-18 millones de años y las enormes distancias que separan unas estrellas de otras indican que conceptos habituales en la Tierra como la simultaneidad de dos sucesos sencillamente no existen en el Universo a partir de una determinada escala. Nuestro Sol orbita el centro galáctico a una distancia de unos 28000 años luz (cuando los astrónomos observen un repentino brillo del centro de nuestra galaxia asociado a su inmenso agujero negro central engullendo algún trozo de materia estelar en realidad dicho fenómeno habrá ocurrido 28000 años antes). Otro número impresionante de nuestra galaxia es el número de estrellas que contiene: entre de 200.000 a 400.000 millones de estrellas.

Adentrándonos en el océano cósmico

Por supuesto la Vía Láctea solo es una entre centenares de miles de millones de galaxias conocidas. ¿A qué distancia se encuentran? A una distancia de entre 100.000 y 300.000 años luz de nosotros hay una docena de galaxias enanas que constituyen auténticos satélites de la Vía Lacta. La galaxia cercana más famosa es la Galaxia de Andrómeda a una respetable distancia de 2.6 millones de años luz. Está tan cerca de nosotros que se estima que la gravedad de la Vía Láctea y la Galaxia de Andrómeda las llevan en un curso común de colisión que se producirá en unos 4000 millones de años. La Galaxia de Andrómeda es el objeto extragaláctico más distante visible a simple vista y contiene más de dos veces más estrellas que nuestra propia galaxia. Los grandes telescopios terrestres muetran la riqueza de estrellas de su interior y numerosas galaxias enanas orbitando este auténtico gigante galáctico.

M31: La galaxia de Andrómeda

M31: La galaxia de Andrómeda. Tanto la Vía Láctea como la Galaxia de Andrómeda son galaxias semejantes en estructura si bien Andrómeda contiene apróximadamente el doble de estrellas que la Vía Láctea. La distancia entre ambas galaxias es de unos 2.6 millones de años luz. La imagen superior es un mosaico digital compuesto por 20 imágenes realizadas mediante un pequeño telescopio.

Las galaxias cercanas forman el Grupo Local de galaxias (54 galaxias la mayoría de las cuales son galaxias enanas, muchas satélites de nuestra propia galaxia). El Grupo Local abarca un volumen de un tamaño de un cubo de 10 millones de años luz de lado y contiene galaxias bien conocidas por los aficionados a la astronomía como el sistema de galaxias de Andrómeda (M31 y sus diversas galaxias satélite) o la Gran y la Pequeña Nube de Magallanes (ambas visibles a simple vista desde el hemisferio Sur).

 

El Grupo local de galaxias en 3 dimensiones trazados a partir de las distancias conocidas a estos objetos.

El Grupo local de galaxias en 3 dimensiones.


 

En el interior del océano cósmico

A mayores escalas las galaxias se siguen distribuyendo en cúmulos de mayor tamaño. El Grupo Local es tan solo un corpúsculo del llamado Supercúmulo de Virgo que es una estructura con forma de un disco plano, con un diámetro de 110 millones de años luz y contiene alrededor de 100 grupos y cúmulos de galaxias como el Grupo Local. Cerca de su centro en gran grupo de galaxias (el cúmulo de Virgo) domina gravitacionalmente esta gigantesca macroestructura. Sin embargo por enorme que nos pueda parecer el Supercúmulo de Virgo es uno entre millones de superclusters que podemos encontrar en el Universo observable.

 

El supercluster de Virgo. Uno de los millones de supercúmulos en el Universo observable.

El supercluster de Virgo.


 

Las corrientes cósmicas

Si nos fijamos en la figura superior vemos que la gravedad ha esculpido la estructura del Universo acumulando la materia en cúmulos y supercúmulos de galaxias que se distribuyen en forma de filamentos dejando enormes espacios vacíos. Los cosmólogos utilizan el conocimiento que tenemos de estas estructuras para inferir aspectos claves sobre la composición del universo. Por ejemplo el tipo de supercúmulos que tenemos en nuestro Universo depende de la cantidad de materia oscura presente. Además los movimientos relativos de las galaxias también depende de las escalas espaciales que utilicemos. En escalas muy grandes todas las galaxias se alejan las unas de las otras mostrando la expansión del Universo pero muchas se acercan entre sí en escalas más pequeñas ligadas a las estructuras visibles en estos supercúmulos de galaxias. Esta física tan compleja puede sin embargo introducirse en un ordenador capaz de reproducir los aspectos físicos globales. Científicos alemanes lanzaron la “Millenium Run” capaz de reproducir aspectos como la estructura fractal del Universo.

 

Simulación del Universo

Simulando la estructura del Universo. Detalle de una simulación por ordenador de la estructura del Universo gobernada por la gravedad de galaxias y materia oscura en una región de 2000 millones de años luz. La simulación ocupa un espacio de 25 Terabytes de memoria e incluye las trayectorias de unos 20 millones de galaxias.


 

En aguas misteriosos

Cuando observamos estas gigantescas estructuras estamos viendo el Universo lejano pero cuanto más lejos observamos más nos remontamos en el pasado. Así pues surge la pregunta de si existían estas gigantescas estructuras también en esas épocas remotas poco después del comienzo del Universo. La respuesta es sí. Cuando observamos el fondo de microondas del Universo (radiación emitida poco después del Big Bang cuando el Universo tenía unos 300.000 años de edad) y no se habían formado ni las primeras estrellas ni las primeras galaxias se pueden apreciar estructuras en esta radiación que nos habla de inhomogeneidades pequeñas en el universo primitivo. En el año 2006 el astrofísico norteamericano George Smoot recibió el Premio Nobel de Física por su descubrimiento de estas pequeñas irregularidades que forman las semillas de las galaxias y las macroestructuras que observamos en la actualidad ya presentes en la radiación de fondo del Universo. Poéticamente el equipo descubridor de estas estructuras las llamó “arrugas en el tiempo” siendo este el título de un popular libro de George Smoot hablando de la importancia de estas pequeñas estructuras en el desarrollo del Universo y sus estructuras.
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WMAP

Imagen del fondo de microondas del Universo proyectada en coordenadas galácticas y obtenida por la sonda WMAP.


 

Enlaces externos

Imagen de la localización de la Tierra en el Universo (23,624 × 2,953 pixeles, 17 MB)
La mayor estructura del Universo (Eureka: Blog de Daniel Marín)
The Millenium Simulation Project (En inglés)