PLANETAS IMPOSIBLES

Cuando Galileo Galilei en 1610 apuntó con su telescopio al cielo descubrió un nuevo universo. Satélites en Júpiter, montañas en la Luna, manchas en el Sol, las fases de Venus, etc. Fueron necesarios 300 años y una segunda guerra mundial con el invento del radar para que el primer radiotelescopio apuntara al cielo. En 1933 Karl Jansky publico en la revista Nature un articulo denominado “Radio Waves from Outside the Solar System” donde indicaba que había descubierto señales de ondas de radio procedentes del centro de nuestra galaxia. Este articulo habría camino a una nueva ciencia, la radioastronomia. En 1937 el ingeniero estadounidense Grote Reber construyó el primer radiotelescopio en el patio de su casa como curiosidad al articulo de Karl Jansky sobre señales de radio procedentes de fuera nuestro sistema solar.

Con el auge de la radioastronomía, hace unas décadas surgió una nueva ciencia, la búsqueda de exoplanetas, es decir, planetas fuera del sistema solar. El primer planeta que se encontró orbitando una estrella parecida al Sol fue en diciembre de 1995, situado a 50 años luz y bautizado con el nombre 51 Pegasi b. El planeta es la mitad de masivo que Jupiter pero con un período orbital de 4 días, situándolo más cerca de la estrella que Mercurio con sus 88 días de período orbital. Como un planeta tan masivo pudo formarse tan cerca de su estrella es una contradicción según la teoría actual sobre formación de sistemas planetarios. En ese momento pareció que debía ser una caso aparte o muy raro. Pero cuanto más exoplanetas aparecían, los casos raros se hacían cada vez más normales. En 2009 se puso en funcionamiento el observatorio espacial Kepler para la detección de planetas extrasolares. Descubrió más de 2740 posibles mundos fuera del sistema solar, donde se confirmaron 115 como planetas utilizando el seguimiento mediante telescopios situados en la Tierra. La avalancha de estos nuevos descubrimientos en lugar de poner orden, añadió más confusión. Kepler encontró que el tamaño de la mayoría de los planetas descubiertos se encontraba entre las dimensiones de la Tierra y Neptuno, lo que se conoce como SuperTierra. Por otra parte se descubrieron planetas gigantes mucho mayores que Jupiter orbitando su estrella a una distancia el doble que la distancia de Neptuno al Sol, una región donde no parecía que pudieran existir estos planetas.

La diferencia entre los resultados observados y la teoría cada vez era mayor, aparecían cada vez más planetas en lugares insospechados. Esto indicaba que la teoría sobre la formación de sistemas planetarios tendría que incluir aspectos inéditos hasta entonces.

Teoría básica sobre la formación del Sistema Solar

El modelo tradicional sobre la formación de sistemas planetarios se basa en el único sistema conocido hasta ahora, el Sistema Solar. Observamos la existencia de planetas pequeños y rocosos como Mercurio, Venus, Tierra y Marte situados cerca del Sol. Y los planetas gigantes, también denominados planetas gaseosos, como Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno situados lejos del Sol.

De esta manera surgió el modelo de la nube primigenia de gas y polvo interestelar en rotación, que colapsa bajo el efecto de su propia gravedad. La mayoría del material se condensa en el centro formando una gran bola que se convierte en una estrella cuando su núcleo alcanza la densidad y calor suficiente para empezar las reacciones termonucleares. Cuando la estrella comienza a brillar, el viento estelar arrastra el gas y partículas radialmente hacia el exterior. De esta manera cerca de la nueva estrella quedan situados los materiales más densos y hacia al exterior los menos densos, como el hidrógeno y el helio.

Hay que tener en cuenta que los efectos de la gravedad actúan siempre y dada la rotación del sistema protoplanetario aparece un momento angular. A causa de la gravedad y el momento angular, el gas y polvo sobrante se reúnen alrededor de la estrella recién creada formando un disco plano. Las pequeñas partículas que forman el polvo se van juntando bajo el efecto de la gravedad formando rocas cada vez más grandes, mientras van girando. Finalmente terminaran creando el disco planetario. La interacción entre estas rocas originará los planetas después de millones de años.

Dado que los materiales más densos se encuentran cerca del Sol, los planetas que se forman en la región cercana al Sol (los planetas interiores) son más pequeños, densos y rocosos. En esta región la mayor parte del gas se ha eliminado, sea porque ha sido devorado por la estrella o arrastrado por el viento estelar. De esta manera los planetas interiores contienen atmósferas tenues y delgadas. Así por ejemplo en la atmósfera de la Tierra no existe ni hidrógeno ni helio.

En la zona exterior del disco protoplanetario la radiación solar es más débil y el ambiente frío congela el agua. De esta manera junto al polvo y gas se forma hielo que ayuda a aumentar la consolidación de los impactos y por tanto permitiendo que los protoplanetas se formen más rápidamente. Por esta razón los núcleos protoplanetarios en esta región exterior son de cinco a diez veces la masa de la Tierra. El gas expulsado por la estrella que se encuentra en esta región exterior se ve afectado por la gravedad de estos núcleos protoplanetarios y forma una espesa atmósfera produciendo un planeta gigante y gaseoso como Júpiter.

A partir de estas condiciones se produce un sistema planetario como el sistema solar. Planetas pequeños y rocosos con atmósferas delgadas en la parte interna y planetas gigantes y gaseosos en la parte externa, a distancias mayores los otros planetas gigantes serán más pequeños porque se mueven más lentamente a través de sus órbitas y capturan menos material gaseoso. Finalmente el sistema queda ordenado en esta configuración y de forma estable mediante órbitas circulares o elípticas en el mismo plano.

Planetas orbitando Enanas Rojas

Otro detalle importante a tener en cuenta es que la mayoría de las estrellas de la Galaxia son enanas rojas. Representan un tipo de estrellas pequeñas y frías y constituyen el 70% de las estrellas de la Galaxia. Su masa se encuentra entre el 0,1 y 0,6 de la Masa Solar y dado que son muy frías su luminosidad es tan baja que no pueden observarse a simple vista, Proxima Centauri, la estrella más cercana al Sol, es una enana roja y no puede observarse sin un telescopio. La luminosidad típica de una enana roja esta comprendida entre un 3% y un 0,01% de la Solar. Por esta razón cualquier planeta habitable cerca de una enana roja tendría que situarse muy cerca de su estrella para adquirir un temperatura similar a la Tierra.

Puesto que las enanas rojas son estrellas pequeñas de poca masa comparadas con el Sol tendrían que haberse formado en nubes protoestelares de poca masa. Por este motivo no podrían tener planetas gigantes ya que no se podrían formar núcleos rocosos grandes para capturar el gas.

Es en estas circunstancias donde aparece GJ3512b, un planeta gigante parecido a Júpiter orbitando una pequeña estrella enana roja.

GJ3512b

El telescopio Kepler analizaba el brillo de una estrella para detectar la variación producida por el transito de un planeta entre la estrella y el telescopio y así detectar la presencia de un planeta de forma directa. Este método tiene el inconveniente que solamente pueden detectarse sistemas planetarios que se encuentren en linea directa entre el planeta y el telescopio que lo observa.

Existe otro método de observación indirecta, mediante el efecto Doppler. Utiliza la técnica de detectar las pequeñas oscilaciones en el movimiento de las estrellas producido por la atracción gravitatoria de los planetas que orbitan a su alrededor. Es un método ideal para detectar planetas en las enanas rojas dado que su brillo es muy tenue.

El sistema estelar de la enana roja GJ3512 se encuentra a unos 31 años luz de la Tierra y esta formado por la estrella, un planeta gaseoso GJ3512b y según parece otro planeta gaseoso GJ3512c. En la siguiente imagen se representa el Sistema Estelar GJ3512 respecto el Solar.

Science 27 septiembre 2019

El descubrimiento de GJ3512b es destacable porque representa la existencia de un planeta gigante orbitando una estrella muy pequeña a una distancia mas bien cercana. Con una órbita cuya excentricidad es de 0.4356 y con un período de 203,59 días, permanece la mayor parte de su tiempo más cerca de su estrella enana roja que Mercurio del Sol, como se puede comprobar en la imagen anterior.

Sin embargo hay que tener en cuenta que la enana roja emite una energía menor del 2% de la Solar, así que el calor que recibe el planeta gaseoso es menor de la que recibe Jupiter procedente del Sol. La temperatura en la zona de GJ3512b es de 150 K (-123 ºC). En la Tierra es de 283 K (10 ºC). Recordemos que en el espacio interestelar es de unos 3 K (-270 ºC).

Observamos que la masa de GJ3512b es 0.46 la masa de Júpiter y forma una órbita excéntrica, estos datos son los que aportan una contradicción a lo que conocíamos como la teoría de la formación planetaria. La primera contradicción reside en entender como un planeta gigante se ha formado cerca de una estrella pequeña, donde no existe suficiente masa para formar el planeta, pero existe. La segunda contradicción consiste en la excentricidad de la órbita, si solamente se ha formado un planeta en torno a la enana roja su órbita tendría que ser circular, casi sin excentricidad. La presencia de una órbita elíptica indica la presencia de una fuerza gravitatoria de otro planeta que se esta buscando, GJ3512c. Así que se habrían formado otros planetas conjuntamente, se cree que fueron tres y uno de ellos fue lanzado fuera del sistema y solo quedan dos, pero solo se ha observado uno.

La explicación sobre su formación pasa por reconsiderar la inestabilidad del gas del disco protoplanetario en sus orígenes, cuando el disco aun continua una gran cantidad de masa respecto a su estrella.

Si como hemos visto la presencia de planetas orbitando enanas rojas amplia nuestra comprensión y desconcierto sobre la formación de sistemas planetarios, más desconcertante es la aparición de sistemas en enanas blancas.

Planetas orbitando Enanas Blancas

Otro aspecto novedoso es el descubrimiento de otro planeta gigante similar a Júpiter orbitando una estrella enana blanca, situada a 1200 años luz de la Tierra.

Para entender que es una estrella enana blanca, veamos que es el Sol. Actualmente el Sol es una estrella que se encuentra en la secuencia principal del diagrama Hertzprung-Rusell.

https://www.eso.org/public/images/eso0728c/

El Sol es considerada una enana amarilla de tipo espectral G2 y clase de luminosidad V. Se formo hace unos 4570 millones de años y permanecerá en la secuencia principal durante 5000 millones de años más. Esto significa que continuara quemando, mediante reacciones de fusión termonuclear, 700 millones de toneladas de hidrógeno por segundo en su núcleo, convirtiéndolo en helio y energía. Cuando todo el hidrógeno del núcleo se halla convertido en helio la reacción termonuclear disminuirá y en consecuencia disminuirá la presión en el núcleo Solar. Al disminuir la presión en el núcleo, este no podrá soportar el peso de las capas superiores y la gravedad de la masa de estas capas superiores hará que el Sol implosione por contracción gravitatoria. Esto se producirá de forma rápida, de manera que esta contracción súbita tendrá como consecuencia un aumento del calor, que podemos entender por el choque entre las partículas de estas capas ante la disminución del volumen. El calor se liberara hacia fuera, calentando las capas exteriores que se expandirán y enfriaran al mismo tiempo. Entonces el Sol se convertirá en una gigante roja, expandiéndose unas 200 veces su tamaño, que llegara a sobrepasar la órbita de la Tierra.

Sin embargo el Sol continuara con las reacciones termonucleares, pero esta vez el combustible nuclear será el helio. Que se quemara convirtiéndose en elementos más pesados hasta formar carbono y oxigeno. Pero el Sol no tiene suficiente masa para crear reacciones termonucleares con el carbono. Así que, agotado el helio el Sol volverá a expandirse, expulsando gran parte de su masa y formara una nebulosa planetaria, quedando en su centro una enana blanca. Su masa será la mitad de la actual masa solar pero del tamaño de la Tierra. Esto significa que las enanas blancas son muy densas pues tienen una gran masa en un pequeño volumen.

Vean como se forman las enanas blancas en otro post: Breve historia de los agujeros negros

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_Life_Cycle.svg

Que ocurrirá entonces a los planetas exteriores como Júpiter al perder la mitad de la masa Solar, la fuerza de la gravedad disminuirá la mitad. Entonces Júpiter y los planetas que queden aumentaran el radio de su órbita alejándose de lo que queda del Sol. Como afectara a la evolución del sistema planetario puede estudiarse observando a otros sistemas planetarios actuales que orbitan enanas blancas.

El Sol como enana blanca

Hace poco se descubrió que ha 400 años luz un pequeño planeta del tamaño del asteroide Ceres, con un radio de 400 km gira en torno a una enana blanca. Lo hace a una distancia muy cercana, dado que completa una órbita cada dos horas. La gravedad de la enana blanca es 100.000 veces la de la Tierra, esto significa que el planeta es muy denso para que no sea destruido por las fuerzas de marea. Así pues estará formado por hierro y níquel, precisamente el material que están formados los núcleos de los planetas terrestres.

Recientemente se ha descubierto que ha 1200 años luz un planeta gigante gira en torno a una enana blanca con un período orbital de 10 días, sorprendentemente muy cercana a la estrella. Esto indica que la presencia de otros planetas influyeron en su migración hacia el interior del sistema estelar. Quizá otro planeta fue absorbido en la explosión de la estrella, causando un efecto de empuje gravitatorio hacia dentro.

Esto puede suceder al sistema solar cuando el Sol engulla a Mercurio, Venus y la Tierra. Marte se librara pero el efecto de los planetas gigantes pueden ejercer una fuerza gravitacional y llevarlo a una órbita más cercan a la enana blanca.

Con todos estos recientes conocimientos a partir de las observaciones sobre los actuales sistemas planetarios aparece una nueva cosmovisión. Los planetas son mucho más numerosos de lo que creíamos hace poco y además con una gran variabilidad. Y si es cierto que actualmente el sistema solar se mantiene en equilibrio, la evolución estelar lo llevara a un desequilibrio “momentaneo” para alcanzar otro punto de equilibrio impensable, pero lo cierto es que existen actualmente en la Galaxia planetas orbitando enanas rojas y enanas blancas que han alcanzado este nuevo punto de equilibrio. Su estudio y observación nos indicara como será el futuro del sistema estelar en el que vivimos actualmente.

Pero…y la vida

No querría terminar este post sin diferenciar entre encontrar exoplanetas y encontrar vida en ellos, sobretodo en estos nuevos planetas en torno de enanas rojas y blancas. Como hemos visto estos planetas orbitan muy cerca de su estrella y su período orbital es muy corto. Para la vida es adecuado que orbiten cerca, pues son estrellas que generan poco calor y cuanto más cerca más calor, pero se produce un efecto secundario. Al estar tan cerca, de la estrella al igual que la Luna con la Tierra, presentan siempre la misma cara hacia su Sol.

El hemisferio encarado a la enana roja o blanca estará abrasado, totalmente quemado y con una gran radiación. El otro hemisferio estará permanentemente a oscuras y por tanto congelado. Claro que quizá pueda existir una zona intermedia donde la vida se habrá paso, si existe una atmósfera que pueda soportar estos gradientes térmicos claro esta.

Pero hay que tener en cuenta ademas que si es un planeta muy pequeño toda su atmósfera habrá desaparecido y la vida con ella. Si es un planeta gigante su atmósfera será rica en hidrogeno y por tanto la temperatura y presión aumentaran enormemente. Alcanzando una presión 1000 veces la de la Tierra y una temperatura de 5000 ºC. Imposible la formación o supervivencia de moléculas de ADN en estas condiciones. Por supuesto que puede existir vida alienígena de carácter muy diferente al nuestro, pero la química nos dice que no pueden formarse moléculas complejas orgánicas en estas condiciones de elevada presión, temperatura y radiación.

Así que de momento solo existe vida en la Tierra….vida inteligente esto ya es otra cosa.

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Tempestat sobre Marte

Las tormentas de polvo en Marte han sido observadas utilizando telescopios terrestres desde el siglo XIX.Cuando el Mariner 9 en 1971 se convirtió en la primera nave espacial en orbitar otro planeta, ya observo tormentas de polvo en la superficie de Marte. Como curiosidad cada partícula es del tamaño de un grano de polvo de talco. Algunas de estas tormentas se acentúan y duran meses y otras solamente una semana, permanece en el misterio este comportamiento anómalo pero puede explicar la desaparición del agua en Marte.

Actualmente existen distintas misiones espaciales que observan Marte: Insight, ExoMars2016, MAVEN, Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Science Laboratory-Curiosity, Mars Express, 2001 Mars Odyssey. Estas observaciones vienen a indicar que las tormentas de polvo marcianas suelen ser habituales, sobretodo durante la primavera y verano en el hemisferio sur, cuando Marte esta más cerca del Sol. Pero lo curioso es que de tanto en tanto suceden varias tormentas a la vez, cubriendo el planeta en una inmensa nube de polvo. Esta situación es bien conocida por el Opportunity cuando sus paneles solares quedaron completamente cubiertos de una fina capa de polvo del tamaño de un cabello humano y no puede cargar las baterías, entonces entra en modo de hibernación esperando que llegue una ráfaga de viento y se lleve el polvo acumulado.

Alguna de estas tormentas puede adquirir tamaños enormes, como el territorio de Norteamérica y Rusia juntos. Esta peculiaridad marciana es debida a que su atmósfera es muy tenue y por tanto con menor presión atmosférica, menos de una centésima parte de la terrestre y sobretodo a que la gravedad marciana es unas tres veces menor que la terrestre. Por esta razón el polvo puede subir a una gran altura, la baja gravedad no lo retiene en la superficie y la baja presión no evita que pueda elevarse. Hay que tener en cuenta que un viento de 160 km/h es como una brisa en la Tierra, dada la baja densidad atmosférica. En cambio en la Tierra, la estructura más densa y gruesa de la atmósfera terrestre junto con una mayor gravedad impide que las tormentas terrestres adquieran este carácter global marciano.

Estas tormentas planetarias de polvo suelen suceder cada tres o cuatro años marcianos y no se conoce exactamente cual es el proceso que las forma. Recientemente se ha añadido más misterio a estas tormentas con la observación de un nuevo fenómeno, las torres de polvo o nubes concentradas de polvo que ascienden muy alto.

Estas torres de polvo son nubes densas que ascienden mucho más alto que el polvo normal y acostumbran a formarse en mayor número durante las tormentas globales en la delgada atmósfera marciana. Estas torres empiezan en la superficie del planeta en una gran área donde se levanta polvo rápidamente y puede alcanzar una altura de 80 km. Precisamente esta peculiaridad de las torres de polvo de alcanzar una altura tan elevada, pueden ayudar a explicar la desaparición de agua en Marte.

La nube en el centro de color blanco-amarillo es una torre de polvo. La nube azulada a su izquierda es de vapor de agua. Noviembre 30, Mars Reconnaissance Orbiter

Hace miles de millones de años Marte tenia ríos, lagos e incluso océanos, según los indicios de lo que podían haber sido antiguos ríos o costas. Actualmente el agua marciana se encuentra en forma de hielo debajo de su superficie, pero basándose en la cantidad de agua que presumiblemente tiene actualmente y la calculada que había tenido según las observaciones, Marte ha perdido más del 85% del agua inicial hacia el espacio. Esta pérdida equivale a una capa de 137 metros de agua distribuida por toda la superficie marciana. Pero como desapareció toda esta agua?

Precisamente la observación de las torres de polvo que se inician a partir del aire calentado por el Sol, que provoca fuertes gradientes térmicos, levanta el polvo marciano por convección, y en estas condiciones el vapor de agua es arrastrado hacia arriba junto la misma masa de aire que asciende con el polvo. Las observaciones sobre la atmósfera marciana indican que hay un incremento del vapor de agua en la atmósfera media (50-100 km) relacionada con las tormentas de polvo, que justificarían esta teoría.

Esta relación entre la convección, el transporte de polvo y vapor de agua hacia la alta atmósfera se confirma a partir de las siguientes gráficas donde se muestra en ppmv (partes por millón en volumen) la cantidad de nubes de agua y vapor de agua en la media atmósfera.

Nicholas G. Heavens y equipo. Nature astronomy. 2018

A medida que el vapor de agua asciende por la atmósfera la cantidad de radiación solar que recibe es mayor y finalmente esta radiación rompe la molécula de agua en sus componentes de Oxigeno y Hidrógeno. El hidrógeno es el elemento más ligero que existe y se escapa de la atmósfera marciana dado que su velocidad térmica es mayor que la velocidad de escape del planeta. De esta manera se explicaría porque el agua en Marte ha ido desapareciendo durante miles de millones de años.

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El primer Objeto sobre la Superficie Lunar

Neil Armstrong, Michael Collins y Buzz Aldrin

Cuando el módulo Lunar Eagle se poso sobre la superficie de la Luna el 20 de julio de 1969, Neil Armstrong y Buzz Aldrin tuvieron que esperar seis horas y media antes de salir a dar el primer paseo lunar. Sin embargo antes era importante realizar una pequeña operación de limpieza dentro del módulo. Una vez abierta la compuerta de salida y aproximadamente cinco minutos antes que Armstrong pronunciara su famosa frase, Aldrin le entregó a una bolsa blanca. Era la bolsa de la basura o como se le denomina en ingles “jettison bag” o “jett bag” en su versión reducida. Estaba llena de cosas innecesarias como restos de alimentos, heces y vómitos.

Armstrong arrojo la bolsa fuera del módulo, siendo el primer objeto en tocar la superficie lunar. El segundo objeto en tocar la superficie lunar fue la bota del pie de Armstrong, quizá el mismo pie que pateo la bolsa hasta debajo del módulo lunar para quitarla de en medio. Sin embargo en la primera foto que registro Neil allí estaba, y es que no es fácil deshacerse de la bolsa de la basura.

Primera fotografia de Neil Armstron en la Luna.
Buzz Aldrin bajando del módulo junto a la basura, fotografiado por Neil Armstrong

En la lista de objetos dejados en la Luna por la NASA no hay lugar para la duda.

El total de misiones Apollo que alunizaron fueron 6, con un total de 12 astronautas convertidos en selenitas durante un tiempo. El resultado…96 jett bag dejadas en la Luna.

Puede parecer desagradable, pero es lo que hay, la basura ocupa lugar y pesa. Dos parámetros incompatibles para la vida en el módulo lunar y el despegue hacia la Tierra. El tamaño de la bolsa vacía era aproximadamente de 101 cm de largo por 70 cm de ancho y un peso de 380 gramos. La siguiente imagen muestra el jett bag.

Christian Lotzmann de 135 cm de alto sosteniendo el jett bag. http://www.workingonthemoon.com

Lo más curioso consiste en que los jett bag se han convertido en laboratorios bioquímicos. ¿Existe vida dentro de las bolsas de la basura? Puede parecer una pregunta absurda, pero si tenemos en cuenta que dentro existen desechos humanos y en estos existen millones de bacterias, entonces la pregunta es: ¿aun continúan con vida las bacterias dentro de estos laboratorios improvisados?.

Las condiciones en la superficie lunar son muy drásticas, con variaciones muy elevadas de temperaturas, desde los 100ºC durante el día a los -173ºC de la noche. Aparte de la ausencia de atmósfera y el bombardeo constante de los rayos cósmicos y las partículas solares.

También cabe la posibilidad de que las bacterias se encuentren en una fase de aletargamiento y puedan volver a la vida en las condiciones adecuadas de un laboratorio terrestre. Como así ha ocurrido con bacterias congeladas en el Ártico durante miles de años y que han vuelto a la vida.

Quien sabe, quizá la respuesta a como sobrevivir en el espacio se encuentra encerrada dentro de una bolsa de basura lunar.

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Chernobyl, explosión del reactor número 4.

Durante nuestra generación atómica han ocurrido 4 graves accidentes radioactivos:

  • En la planta atómica de Mayak, USSR en 1957.
  • En la central nuclear de “Three Mile Island” en 1979.
  • En la central nuclear de Chernobyl, USSR en 1986.
  • En la central nuclear de “Fukushima, Japón en 2011.

Cerca de 400.000 personas fueron evacuadas dado que la contaminación afectó a una zona de 200.000 km² por Cesio-137 cerca de 37.000 Bq/m². En Europa la contaminación por Cesio-137 alcanzó un área de 3.900.000 km² a un nivel de 4.000 Bq/m².

La mas importante y más conocida es la de Chernobyl. A las 1.23 horas del 26 de Abril de 1986, el cuarto reactor de la central nuclear de Chernobyl explotaba. Sucedía el peor accidente nuclear en época de paz, causando un elevado aumento de radioactividad en el medio ambiente. La central nuclear se encontraba a 3 km de la ciudad de Pripyat, con una población de 49.000 personas y a 18 km de la ciudad de Chernobyl. La actividad total de la radiación causada por la explosión del reactor durante los 10 días siguientes fueron aproximadamente de 1019 Bq. Solamente en Ucrania, Bielorrusia y Rusia alrededor de 9 millones de personas fueron directamente afectadas teniendo en cuenta que la radiactividad implicada fue 200 veces mayor que las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki.

Las consecuencias sobre la salud son difíciles de determinar, aunque algunos estudios sugieren entre 4000 y 9000 muertes por cáncer en Ucrania, Bielorrusia y Rusia. Seguramente los datos reales del impacto de Chernobyl permanecerán para siempre en el anonimato. Indudablemente la contaminación durará siglos y las zonas directamente afectadas continuaran con restricciones durante décadas. †

Mapa región de Chernobyl

Que sucedió en Chernobyl?

Cuando sucedió el accidente, en la planta nuclear habían 470 personas, de las cuales 200 eran operarios, 250 obreros de la construcción, 20 bomberos y guardias. De estos, 134 personas recibieron una dosis muy elevada de radiación. 28 de ellos murieron en los siguientes cuatro meses después del accidente.

Selección del tipo de reactor

Una condición esencial sobre el accidente, fue la elección del tipo de reactor nuclear usado en Chernobyl, conocido como RBMK (Reáktor Bolshói Móschnosti Kanálny) que se podría traducir como “Reactor de Canal de Alta Potencia”. Este tipo de reactor fue construido únicamente en Rusia, como parte del programa soviético para fabricar reactores refrigerados por agua, basados en sus reactores de producción de plutonio moderado por grafito. De esta manera si se utiliza agua ligera como refrigerante y grafito como moderador, es posible utilizar uranio poco enriquecido como combustible (2% Uranio-235). Conocido como un reactor de agua ligera moderado por grafito (LWGR), donde solo se utiliza un único circuito en el cual el combustible nuclear hacer hervir el agua produciendo vapor.

El control de la potencia se realiza mediante 211 barras de carburo de boro y grafito que absorben neutrones. Introduciendo los barras se aumenta la absorción de los neutrones y se disminuye la potencia del reactor, en cambio retirándolas se disminuye la absorción, aumentando la potencia del reactor. La potencia total es 3200 MW térmicos y 1000 MW eléctricos.

Esta combinación de moderador por grafito y refrigerado por agua ligera no se encuentra en ningún otro diseño de reactores nucleares, lo que hace del RBMK un diseño único en la URSS. Una de las características más significativas del reactor RBMK es el coeficiente positivo por vacío (burbujas de vapor). Significa que cuando una parte del agua líquida es reemplazada por vapor, la potencia del reactor aumenta.

Coeficiente positivo de vacío (Positive Void Coefficient)

El reactor refrigerado por agua contiene una cierta cantidad de vapor en el núcleo. Dado que el agua líquida es un refrigerador y un absorvedor de neutrones más eficiente que el vapor, un cambio en la proporción de vapor (que adquiere la forma de burbujas de vapor dentro del flujo de agua y se le denomina vació o cavitación) en el refrigerante, afecta a la cantidad de reacciones nucleares y por tanto a la potencia del núcleo. †

Esquema reactor RBMK

En los reactores RBMK el moderador y el refrigerante están separados por materiales distintos como hemos visto. En este caso un exceso de vapor reduce la propiedad de refrigeración del reactor y si el moderador no se modifica, la reacción nuclear sigue manteniéndose. Dejando en esta situación solamente la propiedad de absorber neutrones al agua como elemento esencial. Y si existe un exceso de burbujas de vapor la absorción disminuye, favoreciendo el aumento de la reacción nuclear y la potencia del núcleo. Todas estas observaciones indican que el coeficiente de las burbujas de vapor (vació) es un factor decisivo y dominante.

Consiguiendo un reactor de gran potencia sin necesidad de utilizar uranio enriquecido como combustible y agua pesada como refrigerador. Así se obtiene un reactor nuclear más barato pero también más inestable. Conviene subrayar que el RBMK era el único reactor atómico que utilizaba una combinación de grafito como moderador y agua refrigerante, esta condición lo hace altamente inestable en condiciones de baja potencia.

En 1972 se discutió en Kiev acerca el tipo de reactor que se tenia que construir en Chernobyl. Bryukhanov, el director abogaba por el tipo PWR (Pressurized Water Reactor). De esta manera informó al ministro de energía de Ucrania, Aleksin Makukhin. Sin embargo el científico Alekzandrov se opuso indicando que el RBMK era el reactor más seguro y producía la electricidad de una forma más barata. Por esta razón se decidió construir un reactor RBMK-1000 en Chernobyl, donde 1000 indica que produce 1000 MW de potencia.

La construcción del primer reactor RBMK empezó en marzo de 1970, siendo operativo en noviembre de 1974. Posteriormente se construyeron otros 14 reactores RBMK totalmente operativos en USSR antes del accidente de Chernobyl. Así que en total habían 15 reactores RBMK en USSR en abril de 1986, 4 en Leningrado, 4 en Chernobyl, 4 en Kursk, 2 en Smolensk y 1 en Ignalina.

Reactores nucleares RBMK

Estos reactores RBMK de segunda generación eran prácticamente una copia de los primeros RBMK desarrollados en 1960 por los mismos científicos y ingenieros que participaron en el programa soviético de armas nucleares. Aplicando el mismo criterio de secretismo en su desarrollo para los reactores nucleares, siendo totalmente prohibido hacer pública cualquier incidencia ocurrida en los reactores. A causa de este secretismo y la ausencia de incidentes se considero a la URSS como la más segura a nivel nuclear, sin embargo 11 accidentes habían ocurrido antes de la explosión de Chernobyl. Así se condicionó y fabricó la falsa creencia a los operadores de las centrales nucleares que estas no diferían demasiado de las centrales eléctricas convencionales. Desafortunadamente esta información habría sido de gran ayuda para aumentar la seguridad nuclear y prevenir el accidente de Chernobyl. Por otra parte esto indica que un accidente similar podría haber ocurrido en cualquiera de los 15 reactores RBMK operativos en la URSS.

Chernobyl contaba con 4 reactores en 1986, el primero y segundo pertenecían a la primera generación y el tercero y cuarto a la segunda generación. La construcción del primer reactor empezó en marzo de 1970, siendo operativo en septiembre de 1979. El cuarto se empezó a construir en abril de 1979 siendo operativo el 20 de diciembre de 1983. La serie de reactores RBMK estaba formado por 1661 barras (canales) de combustible nuclear y 211 barras para los sistemas de control y protección, dividas en cuatro grupos:

  • 24 barras acortadas de absorción para regular la distribución axial de neutrones (SAR)
  • 24 barras de absorción para la regulación manual de la distribución radial de neutrones (MR)
  • 139 barras de absorción de autocontrol de la potencia del reactor (AC)
  • 24 barras de emergencia (ER)

Cronología del accidente

Irónicamente la causa del accidente en el reactor número 4 fue un experimento diseñado para mejorar la seguridad de la central nuclear. La central se considero operativa el 20 de diciembre de 1983 y empezó a generar electricidad sin dejar un margen de tiempo suficiente para realizar pruebas de seguridad. Hay que hacer notar que en la Unión Soviética el 22 de diciembre es festivo para los trabajadores de la industria energética, un día especial donde se reciben aclamaciones públicas por el trabajo y bonificaciones extraordinarias. Así pues, se aceleró la puesta en marcha de la central para no perder estas bonificaciones, dejando algunas pruebas esenciales postergadas.

Una de las pruebas no realizadas antes que el reactor fuera operativo era comprobar el funcionamiento de la turbina en caso de defecto. Si este se produce, la turbina empieza a pararse, pero mientras esta girando continua produciendo electricidad. Esta electricidad es necesaria para alimentar las bombas de circulación del agua, las barras de control y la iluminación de la sala y el panel de control. Siendo esencial para la seguridad del reactor y por tanto no puede fallar. Normalmente se tardan unos 20 segundos en bajar completamente las barras de control, por tanto la turbina tiene que proveer de electricidad al menos durante estos 20 segundos.

Evidentemente la central cuenta con generadores diesel, pero también tardan un tiempo en alcanzar los 5,5 MW necesarios para suministrar la tensión a las bombas de alimentación de agua, que oscila entre los 60 – 75 segundos.

El objetivo de la prueba o experimento consistía en determinar durante cuanto tiempo podía estar girando la turbina por el efecto de la inercia mecánica sin acción del vapor, pero conectada a las cargas auxiliares como las bombas de emergencia proporcionando electricidad. Un experimento inicial se realizo en 1982 y se comprobó que el voltaje generado por la turbina era insuficiente. Se volvió a realizar en 1984 modificando algunos detalles pero otra vez resulto negativo. Otro intento se realizó en 1985 y otra vez dio un resultado negativo. El 25 de abril de 1986 las cuatro unidades de Chernobyl estaban operativas. Aprovechando que se tenia que realizar una mantenimiento en el reactor 4 se programó volver a realizar el experimento. Un total de 1659 barras fueron cargadas con combustible

Fase 1: Preludio

25 de Abril de 1986

El reactor se encuentra en las condiciones de máxima potencia de 1000MW eléctricos y 3000MW térmicos.

01:00 h: Los operadores empiezan a reducir la potencia lentamente hasta llegar a los 1600 MW térmicos

13:05 h: Con el reactor a 1600 MW térmicos se desconecta el turbo generador número 7 de la red. Cuatro de las bombas principales de circulación y dos de las bombas de alimentación se conectan al turbo generador número 8 en preparación para el experimento.

14:00 h: El sistema de emergencia de refrigeración del núcleo se desconecta del circuito primario, dado que se espera inicialmente un bajo nivel de vapor durante el experimento. Sin embargo el controlador de la red eléctrica en Kiev indica que el experimento tiene que anularse, pues se necesita la electricidad generada por la unidad 4 hasta las 23:10, dado que otra planta de energía ha quedado inesperadamente fuera de linea. La activación del reactor con el sistema de emergencia de refrigeración del núcleo desactivado es una violación grave de las normas de funcionamiento del reactor (primer error), aunque no parece que influenció en el accidente. Simplemente continuaron trabajando en algunos protocolos del test al mismo tiempo que estaban generando potencia para suministrar la electricidad demandada por la red.

16:00 h: Este retraso de casi 10 horas tuvo graves consecuencias, pues los miembros del turno de día se habían ido hacia tiempo y el turno de tarde testaba terminando. Estos habían recibido información acerca del test experimental durante los días previos y conocían todo el procedimiento a seguir. Según el procedimiento inicial el test experimental debería haber concluido durante el turno de día, así pues el turno nocturno no estaba familiarizado con el protocolo diseñado inicialmente. Con el agravante y la presión de realizar el test en poco tiempo.

Achier Razachkov, Yuri Tregub y A. Uskov eran los operadores responsables del test durante el turno de día. Yuri Tregub decidió quedarse para ayudar al turno de noche, pues estos desconocían cuales eran los procedimientos a seguir.

Fase 2: Preparación del experimento

23:10 h: Los nuevos operadores vuelven a reducir la potencia del reactor para alcanzar una potencia entre 700 -1000 MW térmicos, llegando al nivel de 720 MW térmicos a las 00:10 h del 26 de abril.

26 de Abril de 1986

00:28 h: El sistema automático de control (LAR system) que operaba 12 barras de control es desconectado. A continuación se comete el mayor error (segundo error), al no reprogramar el ordenador para mantener la potencia entre 700 – 1000 MW en regulación automática (AR system). Como consecuencia el operador no pudo estabilizar la potencia del reactor a este nivel y continuó cayendo hasta 30 MW térmicos. El ingeniero senior Leonid Toptunov y el director de turno Alexander Akimov decidieron insertar las barras de absorción en el núcleo y así conseguir parar el reactor.

Llegados a este punto hay que explicar brevemente una las condiciones de las reacciones nucleares, la producción de Xenon-135.

Uno de los productos de la fisión del Uranio es el Teluro-135 con un período de semidesintegración de 19 segundos, para dar Yodo-135 que a su vez de desintegra en Xenon-135 en 6,57 horas. El Xenon-135 es un gran absorbente de neutrones y por tanto su presencia en las barras de combustible reduce considerablemente la potencia del núcleo del reactor, dado que los neutrones son las partículas que provocan la fisión del Uranio.

Al absorber un neutrón el Xenon-135 se transforma en Xenon-136, que es estable y ya no absorbe neutrones de forma masiva. Esta acumulación de Xenon-135 se denomina intoxicación o envenenamiento por Xenon. El Xenon-135 se desintegra en 9,2 horas para dar Cesio-135. Así pues, cuando se produce esta elevada concentración solamente queda esperar que se “queme” el Xenon absorbiendo neutrones y desintegrándose, teniendo que parar el reactor.

Durante la primera reducción del reactor número 4, hacia 24 horas que se había producido una gran cantidad de Xenon-135. Y la caída de potencia a 30 MW aumentó más su concentración, así pues la única solución era parar el reactor, era lo que estaban a punto de realizar Leonid y Alexander.

Pero el jefe adjunto ingeniero de operaciones de la unidad 3 y 4, Alexander Dyatlov los obligó a quitar las barras de control fuera del núcleo para volver a aumentar la potencia del reactor, pues quería realizar el test a cualquier precio. Era la única manea de evitar la captura de neutrones por el envenenamiento de Xenon.

Después de quitar las barras de control la potencia del reactor volvió a aumentar.

Fase 3: El experimento

01:03 h: La potencia del reactor alcanza los 200 MW térmicos y se decide continuar con el experimento. Se conectan 2 bombas de circulación que estaban en reserva, de manera que el total de bombas operativas es 8. Este exceso de flujo de agua refrigerante del núcleo pasa a ser mayor que el necesario para la potencia operativa en ese momento. Se hizo para garantizar la refrigeración del reactor después de la desconexión prevista del turbogenerador 8 y 4. Creyendo que las condiciones del reactor eran estables se continua la prueba. Sin embargo el reactor se encontraba en una situación de alto peligro debido al coeficiente positivo de vació.

La potencia del reactor fue inferior a la prevista y por tanto también disminuye la cantidad de vapor en la tubería y la presión disminuye a lo largo del combustible. Como resultado el flujo del refrigerante es mas alto que el esperado como consecuencia de tener 8 bombas en funcionamiento, y la tubería principal entra en cavitación y vibración. (tercer error)

El reactor se encontraba en ese momento solamente al 7% de la potencia máxima y el caudal del refrigerante a través del núcleo al 115-120% del normal, alcanzando los 58.000 m³ /h. En esta condiciones el agua absorbe más neutrones y conduce a una disminución de la potencia del núcleo(coeficiente positivo de vació), para evitar esta disminución se retiran más barras de control de las permitidas por seguridad. La disminución en la generación de vapor trae como consecuencia una caída en la presión de vapor. Los operadores tratan de controlar manualmente tanto la presión de vapor como el nivel de vapor.

Como se pudieron realizar estas operaciones que alteraban completamente las normativas de seguridad?. El operador Uskov dijo posteriormente que “Normalmente no teníamos la necesidad de seguir las instrucciones” porque durante la fase de formación se repetía que “una planta nuclear no puede explotar”. El operador Kazachkov dijo “Normalmente trabajábamos con menos barras de control que las requeridas y nunca paso nada”.

01:19:00 h: El operador jefe abre la válvula principal para aumentar el caudal de agua en el colector de vapor. A medida que el agua fría del colector pasa al núcleo, la generación de vapor cae notablemente y para compensar esta disminución se quitan completamente 12 barras de control automáticas. Para mantener el reactor a la potencia de 200 MW sube manualmente otras barras de control, dejando solamente un único grupo de 8 barras de control automáticas. Se desconecta el sistema de apagada de emergencia automática para evitar que el reactor se apague a si mismo (cuarto error).

Se desconecta el sistema de emergencia de refrigeración para evitar que funcione durante la prueba.

01:19:58 h: Se cierra una linea de vapor al condensador, pero la presión de vapor sigue aumentando los siguientes minutos.

01:21:50 h: El operador cierra bruscamente el flujo de alimentación, consiguiendo un aumento en la temperatura de los colectores de vapor a la entrada del reactor. El sistema automático de control empieza a bajar las barras para contrarrestar el efecto del aumento del vacío. Hay que tener en cuenta que el sistema operativo estándar indica que son necesarias mantener 15 barras de control para estos casos, pero los parámetros del reactor parecen relativamente estables.

01:22:30 h: En este momento solamente existían 8 barras dentro del reactor, de las 211 existentes. La normativa exigía al menos 15 barras. La elevada reactividad del núcleo se incremento notablemente hasta niveles que exigían la apagada inmediata del reactor. Sin embargo se ignoró este requerimiento y se continuo con el experimento (quinto error). Las medidas observadas en el monitor del núcleo indica que el perfil del flujo de neutrones es normal en el plano radial pero doblemente picado en la dirección axial, con un pico altamente elevado en la región superior del núcleo. Causado por el envenenamiento por Xenon en la parte central del reactor.

Con las pocas barras de control en el reactor, el agua en el núcleo se convierte en el elemento más importante para absorber neutrones. En esta situación operativa de baja potencia una bajada de la presión o un incremento de la temperatura del agua en la entrada del reactor podría causar que entrara en ebullición. Y dado el coeficiente positivo de vacío el resultado seria un elevado aumento en la potencia del reactor. De esta manera el reactor se encontraba en una situación altamente crítica, que el operador no entendió.

01:23:04 h: El experimento vuelve a iniciarse con el reactor operando a 200 MW y el sistema automático de apagada desconectado. Se cierran las válvulas del circuito de vapor del turbogenerador número 8 y se apagan las cuatro bombas principales de circulación del agua. Inexplicablemente para los operadores la potencia del reactor empieza a aumentar. Lo que esta ocurriendo es que al cerrar las bombas de circulación y las válvulas, el caudal del refrigerante y la alimentación del agua se reducen, causando un incremento de la temperatura en la entrada del reactor y por tanto en la generación de burbujas de vapor. Disminuye la absorción de neutrones en el agua, que en estas condiciones de operación era el único elemento efectivo. El exceso de neutrones acelera la reacción nuclear y se produce un aumento en la potencia del núcleo.

01:23:31 h: La potencia del reactor aumenta significativamente y se intenta compensar con 12 barras de control automático (sexto error), pero no produce resultado. El agua refrigerante en el reactor esta en ebullición y el reactor nuclear continua aumentado su potencia.

Fase 4: La Explosión

01:23:40 h: Leonid Toptunov, responsable de las barras de control ordena una reinserción de emergencia de todas las barras de emergencia y de control. Akimov presiona el botón AZ-5, que introduce todas las barras en el reactor, es el más alto nivel de emergencia disponible para apagar el reactor. Las barras empiezan a moverse hacia el núcleo.

Botón AZ-5

Esta situación es altamente peligrosa, cuando todas las barras se encuentran fuera del reactor el efecto inicial de la inserción es aumentar la reactividad en la parte baja del núcleo. Esto es debido al desplazamiento del agua por los tubos de grafito. Se había detectado este problema en la central de Ignalina también funcionando con un reactor RBMk en 1983 pero se creyó que las condiciones especiales nunca volverían a ocurrir.

Cuando las barras se insertan, el agua es desplazada. Una vez insertadas, la parte superior del canal de control por el carburo de boro y en la parte inferior por el grafito. Dado que el carburo de boro absorbe mucho más eficazmente los neutrones que el agua y el grafito, el efecto del desplazamiento es producir una disminución de la reactividad nuclear. Esto es lo esperado en las condiciones de funcionamiento normales.

Esquema de una barra de control

Pero en otras condiciones el desplazamiento del agua por el grafito puede inducir un aumento de la reactividad nuclear. Las condiciones operativas de baja potencia del reactor y un alto flujo en el refrigerante causa un aumento de la cavitación y debido al coeficiente positivo de vacío, se crea un aumento de la concentración de neutrones, y debido a la contaminación por Xenon, la distribución de la concentración de neutrones era más elevada en la parte superior del reactor.

En estas condiciones es cuando se oprime el botón AZ-5.

Cuando la barra de control va siendo introducida a la velocidad de 0.4 m/s, antes que el carburo de boro pueda hacer su efecto de absorber neutrones, el agua en la parte inferior del canal es desplazada por el grafito, precisamente en la región donde hay una mayor cantidad de neutrones. Pero el grafito tiene un poder de absorción menor que el agua y por tanto se produce un aumento en la cantidad de neutrones desde el canal de control al combustible nuclear. La altura del reactor es de 7 metros, a la velocidad de 0,4 m/s se tardan 17,5 segundos en insertar la barra completamente. Tan solo 3 segundos son suficientes para que la reactividad positiva creada aumente el flujo de neutrones a las barras de combustible contaminadas por xenon, se produce una quema del Xenon-135 que incrementa la velocidad de la reacción.

Después de varios segundos se sintieron varias sacudidas y las barras de absorción se habían detenido sin llegar a insertarse completamente en el núcleo. Akimov desconecta los servos que controlan el movimiento de las barras para permitir que caigan por su propio peso dentro del núcleo. Pero los tubos de combustible se habían deformado debido al elevado aumento de la presión del vapor y las barras de control no se mueven. El test ha durado solamente 36 segundos, el reactor ha alcanzado 530 MW y continua incrementando exponencialmente su potencia.

01:23:44 h: El reactor alcanza 120 veces su potencia máxima. Gran parte del combustible nuclear se fisiona y aumenta la presión de vapor que rompe los tubos de combustible en parte inferior del reactor. El núcleo permanece sin agua y se produce una explosión que destruye el reactor.

01:24:00 h: Se produce una primera explosión debido a la rotura de los tubos de combustible por la presión de vapor. El núcleo permanece sin agua y se produce una segunda explosión que destruye el reactor. El núcleo del reactor 4 esta completamente destruido, las paredes y el techo casi no existen. El sistema de refrigeración de emergencia esta completamente destruido en la parte norte del edificio del reactor y enterrado bajo escombros. La estructura de metal ha caído 4 metros de su posición inicial y el reactor es un espacio vació lleno de escombros y polvo de grafito de las barras de control.

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New Horizons encuentra Ultima Thule

Composición artistica del encuentro entre la sonda New Horizons y Ultima Thule. NASA.

La sonda espacial New Horizons se encuentra a unos 6,6 mil millones de kilómetros de la Tierra y se adentra en el Cinturón de Kuiper a una velocidad de 53.000 kilómetros por hora. El Cinturón de Kuiper es una región en forma de dónut formada por rocas helados más allá de la órbita de Neptuno, entre 30 y 55 UA ( 1 UA o Unidad Astronómica es la distancia entre la Tierra y el Sol). Existen millones de estos objetos helados formados por planetesimales, planetas enanos y cometas de corto período, con menos de 200 años.Tienen su origen en el Cinturón de Kuiper. Son remanentes de la formación del Sistema Solar y donde se encuentra el planeta enano Plutón. Precisamente New Horizons pasó cerca de Plutón el 14 de Julio de 2015.

Cinturón de Kuiper

Ultima Thule

El nombre de Ultima Thule se refiere a una mítica isla del norte en la literatura medieval y cartografía. Y con esto quiere significar que se encuentra en los bordes del mundo conocido.

Después de visitar Plutón, New Horizons continuo su viaje hacia el interior del cinturón de Kuiper ajustando su trayectoria para acercarse a un pequeño objeto denominado (486958) 2014MU69 , informalmente Ultima Thule o simplemente MU69. Fue descubierto en 2014 cuando el telescopio espacial Hubble se utilizó para seguir la trayectoria de New Horizons. De estas observaciones se dedujo su órbita, que era de color rojizo y un tamaño de unos 30 km.

En este sentido sabemos que su órbita tiene un semieje mayor de 44,6 UA y una excentricidad de 0.042 con una inclinación de 2,45º. Clasificándose como un clásico objeto frío del cinturón de Kuiper, en ingles CCKBO (Cold Classical Kuiper Belt Object), donde frío en este sentido no esta referido a su temperatura sino a su poca actividad dinámica, queriendo significar que se mueve muy poco.

La característica principal de estos cuerpos CCKBO es que son reliquias del disco protoplanetario de la formación del Sistema Solar y no han sido bombardeados por otros cuerpos ni interactuando entre ellos. Se mantienen en equilibrio térmico con su ambiente a unos 30 – 60 K ( -243 a -213 C). Dicho de otra manera, están igual que hace 4,5 mil millones de años y son un buen ejemplo de la información sobre las condiciones físicas y químicas en el origen del Sistema Solar.

New Horizons el 1 de enero de 2019 realizó un vuelo cerca de MU69 a unos 3538 km a una velocidad de 14,4 km/s ( 51.840 km/h). Captando 50 gigabits de imágenes de alta resolución, composición espectroscopia, temperatura y otros datos.

Ultima Thule

Su apariencia es de dos lóbulos desiguales que seguramente se originaron a partir de la evolución gravitatoria de dos cuerpos en el origen del sistema solar. El lóbulo más grande, denominado Ultima, tiene unas dimensiones de 22 x 20 x 7 km y el lóbulo más pequeño, denominado Thule tiene unas dimensiones de 14 x 14 x 10 km. Realiza un giro sobre su eje cada 15,92 horas y geológicamente se aprecian algunos impactos pero pocos cráteres, evidenciando que la tasa de colisiones es baja. Tampoco no hay evidencia de satélites, anillos o atmósfera. Indicando estas observaciones que primero Ultima y Thule orbitarían uno sobre el otro, como un sistema binario, y se juntarían a partir de una fusión suave sin gran actividad de impactos.

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AGUJERO NEGRO M87

La imagen de un agujero negro, fotografiado por primera, vez ha causado una gran cantidad de noticias y publicaciones. El resultado, una imagen del agujero negro situado en el centro de la galaxia Messier 87, una galaxia elíptica gigante en el Cumulo de Virgo, por lo que tambien es conocida como Galaxia Virgo A. Se caracteriza por tener un núcleo galáctico muy activo con una gran intensidad de radiación en la zona de radiofrecuencia. En su núcleo se observa una chorro de plasma que se extiende unos 4900 años luz, consecuencia de la actividad del agujero negro que se ha fotografiado.

La imagen muestra una anillo brillante curvado debido a la intensa fuerza gravitatoria del agujero negro, situado a la distancia de 55 millones de años luz.

CHORRO DE PLASMA O JET

M87 es una galaxia elíptica situada en el centro del Cúmulo de Virgo, una agrupación de miles de galaxias que se mueven juntas por el espacio, como un inmenso rio cósmico.  El diámetro de M87 es un poco mayor que el de nuestra galaxia Vía Láctea, pero más gruesa, por eso contiene muchas más estrellas.

M87 fue una de las primeras galaxias donde se observó la presencia de un inmenso agujero negro en su núcleo, a partir de las observaciones realizadas en la década de los 80. Aunque sus observaciones peculiares empiezan ya en 1917, entonces los astrónomos ya sospechaban que algo curioso ocurría. Herbert Curtis en 1918 descubrió un pequeño chorro de energía saliendo del núcleo. Investigaciones con radiotelescopios en la década de los 50 detectaron grandes emisiones de energía procedentes de la galaxia.

El telescopio espacial Hubble en 1998 consiguió fotografiar el chorro cósmico o Jet de M87.

Jet en M87

Posteriormente en 2006, con las modificaciones que se le hicieron pudo fotografiar la posición del masivo agujero negro, determinando que su posición se encontraba desplazada del centro galáctico unos 22 años luz. Detectó tambien nubes de gas que giran en forma espiral alrededor del agujero negro a grandes velocidades.

De esta manera surgió la idea de poder fotografiar con mayor detalle este agujero negro.

AGUJERO NEGRO

Los agujeros negros son una predicción de la teoría general de la relatividad de Einstein en 1915, aunque él mismo creía que no podrían existir. Suponía que las enormes fuerzas centrifugas romperían su formación, pero se equivocó. Schwarzschild en 1916 definió el horizonte de sucesos, una región del espacio-tiempo en torno al agujero negro donde ni tan siquiera la luz no puede escapar, que actualmente se denomina radio de Schwarzschild. Durante estos cien años las ideas teóricas de los agujeros negros han ido creciendo espectacularmente. Uno de sus máximos impulsores fue John Archival Wheeler.

John Archival Wheeler

Precisamente Wheeler se invento el nombre de agujero negro (black hole) durante una conferencia en Nueva York en el año 1967. En 1973 escribo el famoso libro “Gravitation” conjuntamente con Misner y Kip Thorne.

De esta manera los agujeros negros se han convertido en el protagonista de la astrofísica, se han detectado numerosamente desde fuentes de rayos X hasta recientemente (2016) mediante ondas gravitacionales. Se cree que existen supermasivos agujeros negros con masas desde millones a miles de millones de masas solares en el centro de casi todas las galaxias. Cabe destacar que precisamente la gran actividad del núcleo galáctico de M87 fue el indicio de la posible existencia del agujero negro que se ha fotografiado.

Esta actividad se caracteriza por un brillo muy intenso en el centro galáctico, muy superior al brillo de todas las estrellas de la galaxia, y esta generada por un objeto de enorme masa y gran densidad. La Teoría General de la Relatividad (TGR) indica que una gran densidad de masa distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor, formando una intensa fuerza gravitatoria. Conviene destacar que en estas condiciones incluso la luz se curva cuando pasa cerca de este objeto supermasivo.

Todos estos efectos predichos por la TGR se amplifican cerca de un agujero negro, donde la curvatura del espacio-tiempo es extremadamente intensa, tan intensa que empieza a tragarse todo lo que hay a su alrededor. Como ejemplo tenemos el nombre de Gargantua, el agujero negro de la película Interestelar. De esta manera las estrellas situadas en su vecindad empiezan a ser atraídas hacia el agujero negro con una fuerza gravitatoria que aumenta cada vez más a medida que se va acercando. Llega un momento que la fuerza es tan intensa que arranca literalmente pedazos de la estrella, hasta que se convierte en un gas de partículas orbitando en espiral a su alrededor, como un remolino, con enormes aceleraciones y velocidades que lo comprimen. Debido a que el gas que esta en el interior gira mucho más rápidamente que el situado en el exterior, se producen intensos campos magnéticos y un gran rozamiento que calientan el gas hasta millones de grados centígrados, formado lo que se llama un disco de acreción de plasma. Con motivo de estas temperaturas y aceleraciones se produce una gran emisión de radiación electromagnética (radiación de sincrotrón) en en espectro de radio, rayos X y rayos gamma. Esta radiación procedente del disco de acreción es lo que puede observarse. Parte de este gas cae dentro del agujero negro y una parte logra escapar produciendo estos enormes jets de miles de años luz de longitud que se observan en M87.

Las observaciones sobre el agujero negro indican una masa de 6500 millones la del Sol y un diámetro de 40 mil millones de kilómetros, cerca de cuatro veces el diámetro de la órbita de Neptuno. Las consecuencias de este supermasivo agujero negro pueden ser algo parecido a la siguiente imagen donde se muestra una simulación del disco de acreción en torno al agujero negro y tres posibles imágenes de la sombra en el horizonte de sucesos.

La sombra del horizonte de sucesos

Observar la sombra que se genera en el horizonte de sucesos es una manera de comprobar si la teoría de la relatividad general sigue siendo válida en estas condiciones extremas. La TRG predice que la luz o fotones emitidos por el gas cayendo hacia el agujero negro tienen que curvarse formando un anillo de luz justo antes de desaparecer dando lugar a una zona oscura en las inmediaciones del agujero negro. El resultado es una silueta del agujero negro como una forma oscura sobre un fondo brillante proveniente de la materia circundante, deformada por una fuerte curvatura del espacio-tiempo, generando como una sombra. La forma y tamaño de esta sombra dependerá de la masa y de la rotación del agujero negro, pero la TGR predice que tiene que ser aproximadamente circular. Observando pues la forma de la sombra oscura podemos comprobar si la TRG funciona.

EVEN HORIZON TELESCOPE (EHT)

Para poder tomar la fotografía es necesario obtener los datos con elevada precisión y no existe ningún telescopio o radiotelescopio con la resolución adecuada para observar UN agujero negro tan distante. Para ello el equipo del Even Horizon Telescope (EHT) utiliza la técnica de la interferometrÍa de muy larga base o VLBI (Very Long Baseline Interferometry). La idea es utilizar distintos radiotelescopios repartidos por la superficie de la Tierra de manera que la combinación de sus datos produzca un radiotelescopio virtual del tamaño de la Tierra.

Radiotelescopios que forman el VLBI

La adquisición de los datos se realizó en el año 2017, en abril, los días 5, 6, 10 y 11, pues las condiciones atmosféricas eran las adecuadas, consiguiendo un total de 4 petabytes de información. Si estos datos fueran música en MP3, se tardaría 8000 años en escucharla completa.

LA FOTOGRAFIA

El análisis de los datos son compatibles con la descripción de un disco de acreción altamente caliente, turbulento y magnetizado orbitando un agujero negro rotatorio ( agujero negro de Kerr) y que produce un extenso jet.

Hay que tener en cuenta que estas imágenes han sido obtenidas a partir de luz no visible para el ojo humano, los radiotelescopios han captado la luz procedente de M87 en el espectro del infrarrojo y las microondas

Imágenes tomadas en distintos días

La imagen corresponde a un disco de acreción altamente magnetizado orbitando muy cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro que esta girando en sentido horario. El anillo asimétrico es producido por el efecto de la distorsión del espacio-tiempo y el movimiento relativista del gas. El centro es la observación de la sombra del agujero negro. El gas situado en la parte inferior se esta moviendo hacia la Tierra y el gas situado en la parte superior se aleja de la Tierra, de ahí la diferencia de brillo.

Para más información sobre agujeros negros:

Agujero Negro Galáctico M87

Breve Historia de los Agujeros Negros

Energía de los Agujeros Negros

De la Mecánica Cuántica a los Agujeros Negros

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