Francesc Aragó y la aberración estelar

Francesc Aragó entre 1806 y 1810 realiza diversos experimentos para determinar la velocidad de la luz procedente de las estrellas y a la vez comprobar si la teoría corpuscular de la luz de Newton era cierta. Sus experimentos y resultados aunque fueron del todo aceptados y conocidos en su época, no son publicados hasta 1853, después de su muerte. Esto ha hecho que fueran completamente olvidadas y sin embargo fueron determinantes para iluminar los orígenes de la teoría de la relatividad en un joven Einstein.

Isaac Newton (1643 – 1727) estableció la teoría corpuscular de la luz donde suponía que la luz actúa según la dinámica de los cuerpos materiales. John Michel (1724 – 1793) aplica esta teoría para describir por primera vez a un agujero negro. Ver “Breve historia de los agujeros negros“. Michell indica además que según la teoría corpuscular la luz tiene que viajar más rápido en un medio transparente denso como el vidrio, que en el aire. Por tanto el ángulo de refracción esta relacionado con la velocidad y propone experimentos en este sentido.

La teoría corpuscular de Newton se oponía a la teoría undulatoria de la luz propuesta por Christiaan Huyghens (1629 – 1695). Así pues, establecer cual era en realidad la naturaleza de la luz, si corpuscular u undulatoria se encontraba en el ambiente del siglo XVIII y XIX. Intentar determinar también cual era la velocidad de la luz formaba parte de un gran problema experimental. Incluso se creía que era infinita dada la dificultad en determinar un valor concreto y determinado. La primera prueba experimental de la velocidad finita de la luz se debe a Christensen Romer (1644 – 1710). En 1676 estudiando las tablas de Cassini sobre el movimiento de Io y sus propias observaciones dedujo que la siguiente ocultación de Io por Júpiter ocurriría 6 meses más tarde, como así ocurrió, pero con un error de 22 minutos aproximadamente.

Romer dedujo que esta diferencia era debida al tiempo que tardaba la luz en recorrer la órbita terrestre y el cálculo le confirió un valor de 214000 km/s. Así pues, la velocidad de la luz era finita.

Resuelto más o menos el problema de la finitud de la velocidad de la luz existía otro problema por resolver, la aberración estelar. Los astrónomos habían observado que las estrellas efectúan un movimiento aparente de rotación anual de unos 40 segundos de arco. Cassini calificó este movimiento de “aberrante” y así quedó el nombre. En 1725 James Bradley inició una serie de observaciones precisas para determinar con mayor exactitud el ángulo de aberración. Utilizo la estrella γ Draconis, denominada también Altamin, una gigante naranja con una temperatura superficial de 3966 K, situada a 148 años luz del Sistema Solar. Debido a su posición en el cenit, observada desde la latitud del Observatorio de Greenwich, era ideal para realizar la medición del ángulo de aberración para Bradley. El resultado observado indicaba que γ Draconis parecía moverse en una órbita casi circular con un período de un año, de un diámetro angular de unos 40,5 segundos de arco. Comprobó también que para otras estrellas el movimiento aparente era semejante al deγ Draconis.

T. Thomson en “History of the Royal Society” explica como se le ocurrio  Bradley la solución depués de mucho tiempo desesperado por resolver el problema y dar con una explicación concreta.

“Al fin, cuando ya desesperaba de poder justificar los fenómenos que había observado,  se le ocurrió de repente una explicación satisfactoria, cuando ni siquiera pensaba en ello. Asistía a una agradable excursión en una embarcación a lo largo del rió Támesis. Dicha embarcación tenía un mástil que llevaba un grimpolón en el tope. Soplaba un viento moderado y estuvieron navegando aguas arriba y abajo por le río durante bastante tiempo. El Dr. Bradley observó que cada vez que la embarcación viraba, el grimpolón en el tope del palo se desviaba un poco, como si se produjera un ligero cambio en la dirección del viento. Lo observó tres o cuatro veces sin hablar; al final se lo mencionó a los marineros y expresó su sorpresa ante el hecho de que le viento se desviase tan regularmente cada vez que hacían virar la embarcación. Los marineros le dijeron que el viento no había rolado, sino que el cambio aparente se debía a la variación  en la dirección de la barca asegurándole que lo mismo sucedía siempre. Esta observación accidental le llevó a la conclusión de que el fenómeno que tanto le había confundido se debía al movimiento combinado de la luz y la Tierra”.

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Aberración estelar debida a la velocidad de la luz y la Tierra

Para explicar la aberración según la relación entre la velocidad de la luz c  y la velocidad de la Tierra VT el ejemplo siguiente es aclaratorio.

Imaginemonos que estamos en un día lluvioso y abrimos el paraguas para no mojarnos. Mientras nos encontramos en reposo (velocidad cero) no nos mojamos y observamos que la lluvia cae perpendicularmente al paraguas. Pero llegamos tarde a una cita interesante y decimos empezar a correr, en este momento empezamos también a mojarnos y observamos que la lluvia ya no cae perpendicularmente sino con un cierto ángulo. Este ángulo es mayor cuanta mayor sea nuestra velocidad y deducimos que el ángulo depende de nuestra velocidad y la velocidad de caída de la lluvia, que podemos considerar constante.

 

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Angulo de inclinación según la velocidad

 

En este ejemplo nuestra velocidad con el paraguas es la Tierra y la caída de la lluvia es la luz que incide sobre la Tierra procedente de las estrellas. Fácilmente puede realizarse el cálculo trigonométrico.

 

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Relación entre la velocidad de laTierra y la luz

 

Evidentemente esta explicación de la aberración estelar de Bradley depende exclusivamente del comportamiento corpuscular de la luz, al igual que la teoría de Michell para describir su idea de agujero negro.

Aparece entonces Aragó en 1805 como secretario-bibliotecario del Observatorio de París y junto a Biot participa en las medidas de la posición de las estrellas para determinar la latitud de París. Se interesa por el problema de la velocidad de la luz y la aberración estelar a partir de un comentario de Laplace:

Es la velocidad de la luz diferente de una estrella a otra?

Condicionado por el resultado de Romer y la teoría de Michell sobre la velocidad finita de la luz, Aragó se propone determinar si la velocidad de la luz es distinta de una estrella a otra. Según la teoría newtoniana la velocidad depende del estado de movimiento del observador, puesto que la Tierra se alejara o se acercara a las estrellas, la velocidad medida tendrá que ser diferente.

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Velocidad de la luz relativa al movimiento

De esta manera si la Tierra se aleja de la estrella la velocidad de la luz tendrá que ser menor y si se acerca a la estrella, mayor. Aragó realiza numerosas medidas mediante prismas tal como sugería Michell, pero no detecta ninguna variación en la velocidad de la luz. Tanto Aragó como Laplace quedan totalmente perplejos ante este resultando totalmente contradictorio a las leyes de newton.

 

La observación de Bradley sobre la aberración estelar también confirmaban que la velocidad de la luz era constante. Así pues se dispone a comprobar si la aberración es la misma para todas las estrellas o es diferente. Puesto que el ángulo de aberración solo depende de la velocidad de la Tierra y de la velocidad de la luz, un mismo valor del ángulo para todas las estrellas indicaría un único valor de la luz. Pero la medición del ángulo de aberración es sumamente complejo y Aragó sugiere medir directamente la velocidad proveniente de las estrellas, utilizando la idea de medir el ángulo de refracción utilizando prismas, según Michell.

Realiza diferentes experiencias entre 1806 y 1810 observando numerosas estrellas brillantes como Sirio, Aldébaran, Antares, Castor, Polux, Rige, etc. en distintos instantes. Los resultados más apreciables son los siguientes:
medidas Aragó02

Donde se observa que el ángulo de refracción es constante y de valor 22º25′.Concluye que la teoría newtoniana es falsa y la velocidad de la luz es constante y por tanto independiente del estado de movimiento del observador.

Einstein en 1905 utiliza este resultado para enunciar la hipótesis de que la velocidad de la luz es una constante universal, sin necesidad de recurrir al experimento de Michelson-Morley. Y por supuesto, modifica la teoría newtoniana para encajarla en este resultado observado, aparece la teoría de la relatividad.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Neandertales Artistas

Desde hace tiempo se viene especulando sobre la antigüedad de determinadas pinturas prehistóricas para determinar si fueron nuestros primos los Neandertales quienes las pintaron y así demostrar que tenían la capacidad de crear arte y por tanto adquirir un pensamiento simbólico. Es un tema antiguo y a la vez actual como ya mencione en “Neandertales como nosotros” y “La mano y la mente humana“. Los recientes descubrimientos en tres cuevas de España han vuelto a la actualidad a los Neandertales como portada de Science.

Science-Neandertales

Cuando se descubrieron los primeros restos del Homo Neanderthalensis o Neandertales a finales del siglo XIX se creyó que era el eslabón perdido entre el humano moderno y el mono. Actualmente esta idea des eslabón perdido no tiene ninguna validez y el hombre de Neandertal es nuestro pariente más cercano o como podríamos decir, un primo hermano.

A partir del estudio de pinturas en tres cuevas de España, denominadas La Pasiega (Cantabria), Maltravieso (Extremadura) y Ardales (Andalucía), un equipo de expertos en arqueología ha podido demostrar que las pinturas en estas tres cuevas datan de más de 64.800 años, 20.000 años antes que apareciera el hombre moderno o homo sapiens en Europa. Exactamente 64.800 años para La Pasiega, 66.700 para Maltravieso y 65.500 en Ardales.

Este resultado induce a creer que los Neandertales disponía de una mente y un conocimiento más sofisticado de lo que se creía, adquiriendo un pensamiento simbólico. Significa esto que su distancia con los humanos modernos se acorta, siendo más parecidos a nosotros de lo que creíamos?. Joao Zilhao, arqueólogo de la Universidad de Barcelona, ha demostrado que los Neandertales tenían un pensamiento simbólico y por tanto la capacidad del lenguaje. Llevando a cabo un pensamiento abstracto y una planificación y comunicación social sofisticada. Con todo ello el arte, la música y casi todo lo que se puede considerar aspectos “humanos” tambien formaban parte del carácter Neandertal y de sus antecesores el Homo Erectus. Como demuestra la existencia de áreas del cerebro, como el área de Broca, que se relacionan con el lenguaje.

En Europa debían haber unos 20.000 Neandertales cuando llegaron un millón o dos de Homo Sapiens procedentes de Africa hace unos 40.000 años. Este fue un encuentro o una colisión, según como se mire o según que lugares, pero de lo que no hay duda es que los europeos actuales llevamos un 4% de ADN Neandertal y por tanto nunca se extinguieron.

Una de las manifestación más características de la prehistoria humana son las pinturas en cuevas, y por tanto poder determinar con precisión cuando fueron pintadas tiene una relevancia muy importante. El problema consiste en poder datar la antigüedad de las pinturas con certeza. El método más utilizado para medir el tiempo es el del isotopo del Carbono 14 (C14). Es útil para los residuos orgánicos de plantas y animales, pero no sirve para la datación de pinturas prehistóricas.

En el año 2000 apareció una nueva técnica que podía medir la antigüedad de una pequeña capa de calcita (carbonato cálcico) que se forma cuando el agua se filtra por las cuevas y cae a través de la pared donde existen las pinturas. Entonces conociendo la antigüedad de esta calcita la pintura situada debajo tiene al menos esa antigüedad y posiblemente más antigua.

Claro que para datar correctamente una pintura con esta técnica tienen que coincidir el encuentro de la pintura en una pared y el goteo del agua depositando la calcita sin dañar la pintura. Y luego quitar la capa de calcita sin estropear el pigmento. Por suerte la técnica es suficientemente sofisticada y precisa para que con unos pocos miligramos sea posible la datación. El método consiste en determinar la concentración de los elementos radioactivos Uranio y Torio.

El Uranio (U) 238 tiene un semiperíodo de desintegración de 4.470 millones de años y se transforma en Uranio 234, que a su vez tiene un semiperíodo de 245.000 años y se transforma en Torio (Th) 230. En este proceso tambien aparece el Torio 232 con un semiperíodo de desintegración de 14.000 millones de años y el Torio 230 tiene un semiperíodo de 75000 años y por esto es ideal para la datación de pinturas prehistóricas.

Existen tres distintas maneras de realizarse la desintegración, U238/Th230, U238/U234 y Th232/Th230. Todas estas tres maneras de desintegración terminan generando Radio 226 y finalmente Plomo 206.

 

Radio-Torio-Plomo

Esquema de desintegración de Uranio

 

 

Puesto que Uranio (U238) es soluble en el agua y el Torio (Th230) no, al formarse los carbonatos en las cuevas prehistóricas inicialmente contenía una determinada cantidad de U238 y nada de Th230. Con el paso del tiempo disminuye la concentración de U238 y aumenta la concentración de Th230 como consecuencia de la desintegración del Uranio.

De esta manera podemos asegurar que la actividad pictórica en las cuevas constituye una manifestación del pensamiento simbólico de los Neandertales. Y no fue algo esporádico, las pinturas se realizaron a lo largo de más de 25.000 años. Por tanto existía una larga tradición simbólica, quizá necesaria para el aprendizaje de los pequeños Neandertales, como si fuera la pizarra de una escuela, donde se representa el contenido cultural e intelectual del grupo social neandertal.

 

Cueva La Pasiega

Cueva La Pasiega

 

Uno de los detalles que más destaca son las impresiones en negativo de las manos, que realizaban poniendo una mano sobre una pared y colocandose el pigmento en la boca soplaban hasta que aparecía la silueta de la mano impresa en la pared. Como la que aparece en la imagen de abajo en la cueva de Maltravieso, con una antigüedad de 66.700 años, después de aplicar un filtro adecuado (DStretch software).

 

Cueva Maltravieso

Hoffmann et al. Science 359, 912-915.

 

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Proyecto Interestelar StarChip

Actualmente la gran cantidad de películas y series que se desarrollan en el espacio con grandes naves que viajan a velocidades superiores a la de la luz nos ha invadido de su lenguaje galáctico própio. Así nos encontramos con el concepto de “viaje interestelar” como una obviedad y sin embargo la realidad es muy distinta.

Alpha Centaury

Apha Centaury

El viaje interestelar más sencillo que podría realizarse es a la estrella Alpha Centaury, pues es la estrella más cercana al Sol. Situada a 4,37 años luz se calcula que el cohete más rápido que tenemos tardaría 30.000 años en llegar a su destino. El problema de los viajes interestelares son las enormes distancias que hay que recorrer y la condición de la cota superior en la velocidad de la luz. Vea Alienigenas o la solución Fermi.

El gran problema de enviar naves espaciales con seres humanos es la gran cantidad de combustible que se necesita, pesados instrumentos, comida, oxigeno, etc. Para solventar este problema, en la primavera de 2016 se presentó una nueva idea de viaje interestelar, el proyecto Breakthrough Starshot. Este proyecto forma parte de Breakthrough Initiatives, creado en 2015 por Yuri y Julia Milner para explorar el universo y buscar evidencias de vida más allá de la Tierra.

Yuri Milner es un multimillonario ruso que ha invertido 100 millones de dólares en este proyecto Starshot.  Según parece sus padres le pusieron el nombre de Yuri en honor al primer hombre en llegar al espacio, Yuri Gagarin. Se matriculo en Física en la Universidad de Moscú pero no llegó a terminarla. En 1990 cambio su residencia a Estados Unidos donde hizo una gran fortuna invirtiendo en empresas emergentes como Facebook y Twitter, entre otras.

Breakthrough Starshot se presentó el 12 de abril de 2016 en Nueva York durante una conferencia de prensa, donde hablaron Stephen Hawking y Freeman Dyson. La idea esencial de Starshot no es enviar una gran nave espacial sino muchas y pequeñísimas naves espaciales en forma de chips, nanonaves denominadas StarChips.

Yuri Milner-Stephen Hawking-Freeman Dyson

Yuri Miler-Stephen Hawking-Freeman Dyson

Puesto que no pueden albergar combustible, serán impulsadas por una gran cantidad de láseres situados en la Tierra, acelerando StarChip hasta el 20% de la velocidad de la luz, a unos 100 millones de kilómetros por hora. Consiguiendo con esta impulsión inicial llegar a Alpha Centaury en 20 años.

Laseres

Láseres de impulsión

 

Por supuesto, como es evidente, la cantidad de información que pueden recoger los StarChips es muy poca. Primero porque no van a poder llevar consigo material científico para estudiar el comportamiento de Alpha Centaury y luego porque van a pasar a gran velocidad y tan solo se podrá conseguir una buena imagen y unos pocos datos. Algo así como tomar una fotografía con el móvil y por tanto no se puede catalogar de información científica que pueda ser útil. Pero en agosto de 2016 surgió algo no esperado, la confirmación que Alpha Centaury tenia un planeta, Proxima b.

Así pues, la posibilidad de fotografiar el primer planeta extrasolar se convirtió en una posibilidad no remota y la única manera de conseguirlo era mediante el proyecto Starshot utilizando las StarChips.

En este proyecto el elemento más costoso y el más problemático es la propulsión mediante láser, una idea sugerida por Philip Lubin en una articulo titulado “A Roadmap to Interestellar Flight” de abril de 2015. Una gran cantidad de láseres se combinan para formar un único haz láser. Este impulsa una gran superficie cuadrada reflectante (vela) donde en el centro se encuentra el StarChip. El proceso de lanzamiento desde la Tierra seria el convencional, como cualquier otro satélite. Pero una vez en órbita se lanzarían al espacio cientos o miles de StarChip y es entonces cuando el láser los impulsaría en su viaje hacia Alpha Centaury.

Laser Vela

Vela impulsora

Por supuesto no puede llevar una cámara pesada para fotografiar y en este caso se utilizaría una pequeña rejilla de difracción. Otros posibles instrumentos serian un espectrógrafo para identificar la química atmosférica planetaria y un magnetómetro para medir el campo magnético de la estrella.

Otro problema planteado es como se envía la información a la Tierra. StarChip necesitara después de un viaje de 20 años enviar las imágenes que tardaran 4,37 años en llegar a la Tierra y por supuesto llegaran muy débiles, apenas unos cientos de fotones. Una solución seria enviar la información de StarChip en StarChip formando una cadena en dirección a la Tierra.

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Cadena de StarChips

Otro gran problema son las baterías para hacer funcionar todos los instrumentos, por pequeños que sean necesitan consumir energía eléctrica y es difícil que las pequeñísimas baterías sobrevivan en un medio oscuro y frío.

Tambien existe el riesgo de impacto con las micropartículas existentes en el medio interestelar. Una colisión a alta velocidad aunque sea con una partícula muy pequeña, puede producir un enorme daño. La solución para solventar este enorme problema es enviar cientos o miles de StarChips, alguno sobrevivirá.

Finalmente otro enorme problema es la vela que recoge los fotones del láser para impulsarse. Tiene que ser muy ligera y reflejar casi todos los fotones sino se calentara  y dañara el chip. No existe este tipo de material aun…habrá que inventarlo.

Seguramente será difícil conseguir que las naves StarChips logren construirse, pero este reto plantea que en el futuro se lanzaran naves automáticas que exploren el universo y envíen los datos recogidos a la Tierra.

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Oumuamua, el Asteroide Interestelar

Oumuamua es el asteroide que provino del espacio exterior al Sistema Solar, denominado espacio interestelar por ser el espacio que existe entre las estrellas.

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El 19 de octubre de 2017 el telescopio PAN-STARRS 1 de la Universidad de Hawai en Haleakala, fundado por la NASA para su programa NEOO (Near Earth Object Observations) observó una leve luz que atravesaba el cielo como un vulgar asteroide. Pero las continuas observaciones para detectar su órbita condujeron a un asombroso resultado, el asteroide no era del Sistema Solar. Su órbita provenía del espacio interestelar, esto significa que se había originado en otra estrella. Así pues, ha sido catalogado como asteroide interestelar y nombrado A/2017 U1 y bautizado con el nombre de “Oumuamua” que significa explorador o mensajero en Hawaiano.

Oumuamua es una roca con apariencia de un color rojo oscuro, seguramente de carácter metálico y poca cantidad de agua o hielo. Esta habría sido expulsada a lo largo de los millones de años de bombardeos de rayos cósmicos a lo largo de su viaje por el espacio interestelar.

El estudio de la luz procedente del asteroide tiene sus curiosidades, pues varia rápidamente la intensidad en un factor 10 cada 7.3 horas. Esto indica que esta girando rápidamente y que es unas 10 veces más largo que ancho y por tanto tiene una forma alargada, de cigarro-puro, estimando que su amplitud es de 100 metros y posiblemente 800 metros de largo.

Los cálculos preliminares de su órbita sugirieron que provenía de la estrella Vega, en la constelación de la Lyra, pero lo más seguro es que haya estado moviéndose a través de la Galaxia durante cientos de millones de años hasta llegar a nuestro sistema estelar. El acercamiento al Sistema Solar se realizó por encima de su plano perpendicular, alcanzando el máximo acercamiento al Sol el 9 de septiembre y a la Tierra el 14 de octubre, a una distancia 60 veces la luna.

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Orbita Oumuamua. NASA/JPL-Caltech

La velocidad de acercamiento al Sol era de 25,5 kilómetros por segundo (91.800 kilómetros por hora) y una vez acelerado por la gravedad Solar se aleja del Sistema Solar a una velocidad de 44 kilómetros por segundo (158.400 kilómetros por hora), dirigiéndose a la constelación de Pegaso.

Por supuesto que existen más rocas interestelares procedentes de los restos de las formaciones planetarias de otros sistemas estelares que navegan por el espacio, pero este es el primero en ser visto. Abriendo la posibilidad de observar nuevos mensajeros interestelares.

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Encelado, una luna con vida?

La misión Cassini-Huygens es un proyecto internacional de la década pasada cuyo objetivo es estudiar el planeta Saturno y sus satélites o lunas. En 2005 sobrevolando el polo sur de Encelado (una luna de Saturno) observó fracturas en su superficie helada que dejaban escapar chorros (géiseres) de vapor de agua y hielo. Esto suponía que debajo la superficie helada de Encelado existía un océano de agua líquida, al igual que se piensa sucede en Europa, una luna de Júpiter. Nuevos estudios sobre Encelado basados en observaciones de microondas muestran que puede estar más caliente de lo esperado justo a pocos metros por debajo de la superficie helada.

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Encelado

La búsqueda de vida en el sistema solar no se reduce al planeta Marte sino también en las lunas de Jupiter y Saturno. Europa en el caso de Júpiter y Encelado en el caso de Saturno. En las dos lunas se han detectado géiseres de vapor de agua, hielo y componente químicos que fluyen de un océano líquido atrapado bajo una superficie helada.

Las condiciones de vida se basan en la presencia de agua, energía y una fuente de elementos químicos esenciales como C (carbono), H (hidrógeno), N (nitrógeno), O (oxigeno), P (fósforo) y S (azufre). Precisamente los vuelos de la sonda Cassini sobre Encelado han podido detectar la presencia de hidrógeno (H2), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) y amoniaco (NH3).

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Cassini sobrevolando los géiseres de Encelado

Metanogenesis en Encelado

La luna de  Saturno, Encelado, tiene un océano líquido debajo de la cobertura de hielo y  forma géiseres de vapor, hielo y otros componentes químicos a través de las oberturas en la superficie de hielo. Utilizando el espectrómetro de masas situado en la sonda Cassini últimamente se ha podido detectar hidrógeno molecular en estos chorros.

En los sistemas hidrotermales terrestres el agua reacciona con las rocas con mineral de hierro  produciendo hidrogeno molecular. El agua H2O oxida el hierro y se forma hidrógeno molecular H2. Algunos organismos terrestres aprovechan el hidrógeno molecular H2 para producir metano CH4 a a partir del dióxido de carbono CO2 y obtener energía en un proceso denominado metanogenesis.

El hidrógeno molecular H2 es una de las fuentes de energía obtenida por las formas de vida más antiguas de la Tierra en ausencia de la energía del Sol. En Encelado esta podría ser una fuente de energía para elementales formas de vida situadas en el lecho rocoso situado debajo el océano líquido. El hecho de detectar H2 en los géiseres de Encelado podría suponer la existencia de un sistema hidrotermal con la fuente de energía suficiente para albergar las condiciones de vida en el interior de la luna de Saturno.

Las últimas observaciones de Cassini se efectuaron a 49 km de la superficie de Encelado, una de las más cercanas, el denominado vuelo E2 del 28 de octubre de 2015, y a la velocidad de 8,5 kilometros por segundo. (30600 km por hora) detectando la presencia de H2 en los géiseres en una cantidad de 200 kg por segundo. 

Hay que tener en cuenta que el hidrógeno es muy volátil y por tanto muy difícil de guardarse almacenado en el hielo y escapar de golpe. Así pues, parece que el océano de Encelado no puede contener suficiente hidrógeno almacenado para sustentar este flujo detectado. La única conclusión es que el hidrógeno observado tiene que haberse producido en Encelado. Y la forma de producirse es mediante una relación química que rompe la molécula de agua en hidrógeno molecular y oxigeno. Explicación que da a lugar a la posible existencia de una reacción  hidrotermal entre el agua y la roca submarina formando un desequilibrio químico, que puede ser el soporte de vida microbiana en las profundidades del océano de Encelado.

Por último queda por determinar cual es la fuente de calor que mantiene en estado líquido ese océano. En la Tierra es el desplazamiento tectónico y la actividad magmática, que no sucede en Encelado. Podrían ser las fuerzas de marea que ocasiona Saturno sobre su luna, pero esto tendrá que decirlo futuras misiones para explorar los océanos más allá de la Tierra.

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A que velocidad se mueven los electrones en un conductor?

Existe la creencia general que los electrones se mueven a la velocidad de la luz en un conductor eléctrico. Incluso la mayoría de los ingenieros siguen creyendo que los electrones que forman la corriente eléctrica en los conductores metálicos de las líneas eléctricas  se mueven a la velocidad de la luz. Esta creencia se mantiene porque al accionar un interruptor eléctrico inmediatamente obtenemos la corriente, como si fuera una acción instantánea. Esta inmediatez nos parece que tiene que ser debida a la velocidad lumínica de los electrones, pero no es así.

Qué es un conductor eléctrico?

Un conductor eléctrico es un material que contiene electrones libres que pueden moverse libremente. Los metales son buenos conductores porque precisamente cumplen esta condición de disponer de muchos electrones libres. El parámetro que se utiliza para determinar cuantos electrones están disponibles para la corriente eléctrica es la densidad de electrones libres. Pero en un conductor no solamente existen los electrones, tambien están los iones. 

Qué son los portadores de carga eléctrica?

En  un conductor existen dos tipos de cargas eléctricas. Las positivas formadas por los iones (átomos que han perdido electrones) y las negativas formadas por los electrones. Los iones pesan mucho más que los electrones, no olvidemos que los protones tienen una masa 1800 veces superior a los electrones, por tanto se mantiene inmóviles y formando la estructura molecular del material por donde circularan los electrones libres. Así pues, los electrones (carga negativa) son los que se mueven por el conductor y forman la corriente eléctrica. Cuantos más electrones se encuentren disponibles para moverse, mayor será la corriente eléctrica. Decimos que los portadores de carga que participan en la corriente eléctrica en un conductor son los electrones. 

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Electrones moviéndose respecto los iones dentro de un conductor

Se acostumbra a designar por ne a la cantidad de electrones libres por unidad de volumen. Este parámetro nos permite caracterizar si un material es un conductor o un dieléctrico (aislante). Por ejemplo, el cobre tiene 8,45 ·1022 electrones libres por centímetro cúbico, la plata 5,86·1022 y el aluminio 18,07·1022 . Podemos observar que en los metales el orden de magnitud de la densidad de electrones libres es de 1022 electrones por centímetro cúbico.

Pero que existan esta gran cantidad de electrones libres no significa que produzcan una corriente eléctrica. Estos electrones se mueven en cualquier dirección, por tanto no forman una corriente en un único sentido y de esta manera no hay corriente eléctrica.

La corriente eléctrica aparece cuando todos (o la mayoría) de los electrones libres se mueven a la misma velocidad y en el mismo sentido. Esto se consigue aplicando un campo eléctrico en el conductor, tema que comentare en otro post.

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Corriente de electrones dentro de un conductor

Circuito Eléctrico

La característica más importante para la conducción eléctrica de un electrón es su carga eléctrica, que denominamos por la letra e y tiene de valor -1,6·10-19 Culombios (C).

El circuito eléctrico es un circuito cerrado por donde se impulsaran a los electrones a través del conductor. El impulso es producido por el campo eléctrico E que se introduce en el conductor mediante un generador o pila eléctrica.

La ley de Ohm establece que el movimiento de los electrones es la misma dirección del campo eléctrico. Al ser electrones y tener carga negativa se moverán en sentido contrario del vector campo eléctrico. El parámetro adecuado a tener en cuenta es la densidad de corriente j. Siguiendo la ley de Ohm la densidad de corriente es proporcional y paralela al campo eléctrico. El factor de proporcionalidad se denomina conductividad σ.

 j = \sigma E

  • Definición de densidad de corriente j

La densidad de corriente j se define como la Intensidad I que circula por un conductor respecto la sección S de este conductor.

  j = \frac{I}{S}

  • Definición de corriente eléctrica o Intensidad I

La intensidad I se define como la cantidad de carga eléctrica Q que se mueve en un tiempo t. La unidad de medida es el Amperio A.

 I = \frac{Q}{t}

La densidad de corriente se puede expresar en función de la velocidad de los electrones impulsados por el campo eléctrico y la densidad de carga eléctrica ρe

  j = \frac{I}{S} = \frac{Q}{{St}}\frac{l}{l} = \frac{Q}{{Sl}}\frac{l}{t} = \frac{Q}{V}v ={\rho _e}v

y en notación vectorial será de la forma siguiente

  \vec j = {\rho _e}\vec v

La densidad de electrones es la cantidad de carga libre disponibles para el movimiento por unidad de volumen. Evidentemente esta directamente relacionado con la cantidad de electrones disponibles, pues cada electrón contribuye con una unidad de carga eléctrica e, como hemos visto anteriormente. Así pues, la densidad de carga puede definirse en relación a la cantidad de electrones libre ne mediante la siguiente ecuación.

  {\rho _e}= {n_e}e

Con estas definiciones la densidad de corriente j toma la 

forma, donde obtenemos una relación entre la densidad de corriente y la velocidad de los electrones a partir de la cantidad de electrones libres, parámetro que es una característica del material.

 j = {n_e}ev

Velocidad de los electrones en un circuito eléctrico

Estamos en disposición de poder calcular la velocidad de los electrones en un circuito eléctrico. Normalmente en las instalaciones tenemos una densidad de corriente de 10 Amperios por milímetro cuadrado, que son 1000 Amperios por centímetro cuadrado.

 j = \frac{I}{S} = \frac{{10A}}{{1m{m^2}}} = \frac{{10A}}{{{{\left( {{{10}^{ - 1}}cm} \right)}^2}}} = 1000A/c{m^2}

Para un conductor de cobre la densidad de electrones libres por centímetro cúbico hemos visto que es ne 8,45·1022 y ya sabemos que la carga e = 1,6 ·10-19 C. Así pues.

  v = \frac{j}{{{n_e}e}}

calcul-velocitat

Con este cálculo podemos constatar que la  velocidad de los electrones es aproximadamente 1 milímetro por segundo. Puede parecer una velocidad muy lenta comparada con la de la luz de 300.000 km/s, pero sin embargo es una velocidad relativista, con efectos directos en la modificación del espacio-tiempo. 

Como puede apreciarse en este video ( Efecto de la Altas Corrientes ) que grabamos en el laboratorio de altas intensidades de la UPC, el efecto de la intensidad es enorme, aunque los electrones se muevan “muy” lentamente.

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