El Impacto del Younger Dryas

El periodo de la última desglaciación comenzó hace unos 20.000 años aproximadamente y finalizó hace 8.000 años ,con el inicio del Holoceno. No esta muy claro cual es el mecanismo que inició este proceso de fusión del hielo, los motivos siempre son diversos. Pero un suceso extraordinario tuvo lugar, el Younger Dryas. ¿Que es y cual es su causa? Los misterios no se resuelven totalmente y nunca de forma fácil. Así que no espere un respuesta sencilla y rápida…ni tan solo espere una respuesta.

Hiawatha Glaciar

Los efectos que conducen a un cambio climático y por tanto los acontecimientos que condujeron a la última desglaciación, que empezó hace unos 20.000 años con el inicio dela fusión del hielo en el hemisferio norte y terminó hace unos 8.000 años, no están muy claros y guardan muchas incógnitas.

En todo caso existen diferentes causas y efectos que conducen a una desglaciación o a una glaciación. Aunque parece que unos de los factores más determinantes es la variación en la cantidad de radiación solar debida a los diferentes cambios que sufre la Tierra en su movimiento orbital alrededor del Sol. Estos cambios se conocen como los ciclos de Milankovitch y demostrados por Hays, Imbrie y Shackleton en un articulo de 1976 publicado en Science“Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages”donde indican que para los últimos 500.000 años los cambios climáticos han seguido las variaciones en la oblicuidad y la precesión terrestres.

Es evidente que existen diferentes ciclos que regulan la cantidad de radiación recibida en la superficie terrestre. Cada 24 horas obtenemos el ciclo día/noche y cada año notamos los efectos de las estaciones. Pero existen otros ciclos que igualmente originan cambios en cantidad de radiación solar recibida, aunque de períodos mucho más largos. Como los cambios en la excentricidad de la órbita terrestre, en la oblicuidad del eje terrestre, en la precesión de los equinoccios. Estas variaciones de largo periodo ocurren en ciclos de 100.000, 41.000 y 23.000 años.

Expliquemos cada uno de ellos

  • Eje de Rotación y Estaciones

La Tierra gira una vuelta cada 24 horas en torno de un eje imaginario que pasa a través de los polos norte-sur. Este eje se encuentra inclinado un ángulo de 23.5º respecto un eje perpendicular al plano de la eclíptica o plano de la órbita de laTierra. Es lo que se denomina inclinación o oblicuidad del eje de rotación.

Inclinación del Eje Terrestre. Ruddiman Earth’s Climate Past and Future

Todos los planetas del Sistema Solar giran con una determinada inclinación

Pero la Tierra no solamente tiene el movimiento de rotación sobre si misma, también gira en torno del Sol en un período de un año. Y lo hace manteniendo la dirección del eje de rotación y el ángulo de inclinación constante. El resultado de este tipo de movimiento son las estaciones. Así tenemos una gran diferencia en la radiación solar sobre la tierra. En verano el Sol se eleva alto en el cielo y emite una intensa radiación, en cambio en invierno el Sol se mantiene bajo en el cielo y emite una radiación más débil. Estas diferencias estacionales culminan en los solsticios de verano e invierno. El 21 de junio (solsticio de verano)es el día más largo y el 21 de diciembre (solsticio de invierno) es el día más corto, en el hemisferio norte, en el hemisferio sur es a la inversa.

Esta diferencia de radiación sobre la tierra es consecuencia de la oblicuidad, si observamos el movimiento de la Tierra desde el punto de vista del Sol veremos que cuando un hemisferio se encuentra en dirección al Sol recibe más radiación(en verano) y cuando se encuentra en dirección opuesta recibe menor radiación (en invierno).

La oblicuidad define el trópico de Cancer situado a 23,5º N y el trópico de Capricornio situado a 23,5º S. Los trópicos indican las posiciones donde se mueve el sol a lo largo del año. Los 23,5º definen ademas los círculos polares ártico y antártico a la latitud de 66,5º , correspondiente a la diferencia de: 90º – 23,5º = 66,5º. De esta manera los rayos del sol no alcanzan latitudes superiores a los 66,5º en invierno.

Entre los solsticios de de verano e invierno existen dos posiciones intermedias de la Tierra en su órbita alrededor del sol, donde la duración del día y la noche son iguales en cada hemisferio. Son los equinoccios (igual noche). El 20 de marzo es el equinoccio de primavera en el hemisferio norte (otoño en el hemisferio sur) y el 22 de septiembre es el equinoccio de otoño(primavera en el hemisferio sur)

Equinoccios y Solsticios. Ruddiman Earth’s Climate Past and Future
  • Excentricidad de la órbita terrestre

La órbita terrestre no es perfectamente circular, tiene una determinada excentricidad o forma elíptica. Debido a la fuerza gravitacional que ejercen los otros planetas sobre la Tierra en su movimiento a través del espacio. Al variar la distancia alSol, varia la cantidad de radiación recibida, especialmente en los dos puntos extremos de la posición en la órbita. Cuando laTierra se encuentra en su punto más cercano al Sol se denomina perihelio y el punto más alejado afelio. Actualmente en el perihelio la distancia al Sol es de 153 millones de kilómetros y sucede el 3 de Enero, en el afelio la distancia es de 158 millones de kilómetros y ocurre el 4 de Julio.

Perihelio y Afelio. Ruddiman Earth’s Climate Past and Future

Esto significa que es invierno en el hemisferio norte y verano en el hemisferio sur cuando la tierra se encuentra más cerca del sol. En cambio es verano en el hemisferio norte e invierno en el hemisferio sur cuando se encuentra más lejos.

Pero lo realmente interesante relacionado con los cambios climáticos es que estos parámetros varían de forma regular debido a la atracción gravitatoria entre la Tierra, la Luna, el Sol, los otros planetas y sus lunas. Provocan variaciones cíclicas en el ángulo de inclinación o oblicuidad, la excentricidad de la órbita y la posición de los solsticios y equinoccios.

  • Cambios en la oblicuidad

Si el ángulo de inclinación no existiese y la órbita terrestre fuese completamente circular, la radiación solar caería perpendicularmente sobre el ecuador a lo largo de todo el año y no existirían cambios de estaciones y cada día tendría la misma duración día/noche.

Sin Oblicuidad. Ruddiman Earth’s Climate Past and Future

El ángulo de inclinación es pues necesario para que existan las estaciones, y este ángulo varia entre 22,2º y 24,5º en un ciclo de 41.000 años. Actualmente es de 23,5º y va disminuyendo. Estos cambios en la oblicuidad aumentan o disminuyen la crudeza de las estaciones, especialmente en altas latitudes. A mayor inclinación más cantidad de radiación se recibirá en verano y menor en invierno y por tanto las diferencias estacionales se acentúan.

Cambios en la oblicuidad en millones de años. 
Ruddiman Earth’s Climate Past and Future
  • Cambios en la excentricidad

La forma de la órbita de la Tierra alrededor delSol varia con el tiempo, a veces es más circular y a veces menos, más elíptica. El parámetro que determina la forma más elíptica o menos es la excentricidad ε. Si es cero tenemos una órbita perfectamente circular, a medida que la excentricidad aumenta la órbita es más elíptica.

Los cambios en la excentricidad se concentran en dos períodos. Un ciclo de variaciones a intervalos de unos 100.000 años y otro ciclo de unos 413.000 años.

Cambios de la excentricidad en millones de años. 
Ruddiman Earth’s Climate Past and Future
  • Precesión de los equinoccios y solsticios

La posición de los equinoccios y los solsticios varia a lo largo del tiempo, descubrimiento que ya había realizado Hiparco de Nicea en el 127a.C. Las causas de estas variaciones son debidas al movimiento de laTierra como una peonza. Ya hemos visto que laTierra gira entorno a un eje que se encuentra inclinado respecto un eje perpendicular a la eclíptica, eje que determina la dirección norte-sur. Pues resulta que este eje no se mantiene fijo sino que gira, se bambolea, movimiento que se denomina precesión.

Precesión Terrestre. Ruddiman Earth’s Climate Past and Future

Actualmente la Tierra gira en torno a un eje que apunta hacia la estrella Polar, pero a lo largo del tiempo el movimiento de bamboleo causa que el eje de rotación apunte hacia otro punto celeste. Hace 3.000 años apuntaba hacia la estrella Thuban y dentro de 12.000 años apuntara hacia la estrella Vega.

Imagen de Stephen Mackintosh
https://modulouniverse.com/2018/06/24/spica-and-the-precession-of-the-equinoxes/

La precesión de laTierra es producida por el efecto gravitacional del Sol y la Luna y tiene un ciclo de 25.700 años. Existe otro segundo movimiento de precesión conocido como la precesión de la elipse, o precesión absidal. La órbita de la Tierra también ejerce un giro o precesión en torno al Sol.

Precesión de la órbita terrestre

El efecto combinado de estos dos movimientos de precesión son la causa que los solsticios y equinoccios varíen a lo largo de un ciclo de 23.000 años.

Hay que tener en cuenta además, que la velocidad de la Tierra no es constante a lo largo de su órbita, se mueve más lento cuando esta más lejos del Sol y más rápido cuando se encuentra más cerca. De esta manera cuando los equinoccios varían a lo largo de la órbita también pasan por regiones de movimiento más rápido o más lento. Todos estos cambios en la órbita terrestre alteran la cantidad de radiación Solar recibida según la latitud y la estación.

Aunque hay que tener en cuenta efectos inesperados, o quizá no…solo que son de ciclo muy, muy largo.

  • El Younger Dryas

El aumento de la temperatura como consecuencia de la última desglaciación sufrió una caída brusca durante un periodo de unos mil años, bajando a menos de 8º en algunos lugares del hemisferio norte. Iniciándose un período frío denominado Younger Dryas, que también terminó bruscamente hace 11.500 años. El nombre del período proviene de una pequeña planta ártica de color blanco y amarillo denominada Dryas Octopelata.

Younger Dryas

Las causas que originaron el Younger Dryas no están muy bien definidas, puesto que la radiación solar en los veranos del hemisferio norte continuaba aumentando y no había motivo para que la temperatura disminuyera. Su existencia es un misterio y existen muchas dudas sobre este periodo de enfriamiento. Una solución bastante controvertida esta relacionada con efectos extraterrestres, básicamente el impacto de cometas o asteroides en el hemisferio norte. Richard Firestone and Kennett publicaron “Evidence for na extraterrestrial impact12.900 years ago that contributed to the megafaunal extinctions andthe Younger Dryas cooling”. El impacto habría provocado grandes fuegos que inyectarían suficiente hollín y otros compuestos en la atmósfera, ocultando el sol y enfriando el planeta.

El problema es que hasta ahora no se había encontrado una prueba de ningún cráter producido por un impacto de la época del Younger Dryas. Pero enJulio de 2016 Kurt Kjaer (geólogo del Museo de Historia Natural deDinamarca) sobrevolando en helicóptero el glaciar de Hiawatha en elnorte de Groenlandia, se dio cuenta que el glaciar no avanzaba deforma rectilínea hacia el Océano Ártico sino que lo hacia siguiendo un semicírculo. El movimiento en semicírculo era la señal que descubría un cráter debajo del glacial como consecuencia del impacto de un asteroide.

El cráter del glacial Hiawatha tiene un diámetro de 31 kilómetros y seguramente fue la consecuencia de un impacto de un asteroide de hierro de 1,5kilómetros se estrelló en la Tierra, posiblemente hace menos de100.000 años. Este resultado es sumamente interesante porque es el impacto más reciente. Los otros cráteres más relevantes son el Chesapeake de 85 km de diámetro que impactó hace 35,5 millones de años y el Chicxulub de 200 km de diámetro de hace 66 millones de años.

Cráteres de impacto

Hiawatha se queda pequeño en comparación, pero sucedió en la época que los mamuts y otra megafauna estaba en declive y los humanos se extendían a través de Norteamerica. Y por supuesto podría ser el impacto que condujo al Younger Dryas, pudiendo datar de solamente unos 13000 años. La energía de la explosión seria equivalente a 700 bombas nucleares y se observaría a centenares de kilómetros. La gran onda de choque generaría fuertes vientos y levantaría una gran cantidad de polvo sobre la atmósfera. Modificando el comportamiento “natural” de los ciclos de Milantovich.

Si se confirma que el impacto de Hiawatha se produjo hace unos 13.000 años, seria el registro más reciente que demostraría que los impactos extraterrestres y sus efectos han condicionado y siguen condicionando la vida sobre la superficie terrestre. Provocando cambios climáticos y extinciones que modifican el espectro biológico en los niveles de organización de la vida. 

Este post se ha realizado siguiendo los libros de William F. Ruddiman “Earth’s Climate Past and Future” y de Antón Uriarte Cantolla ” Historia del Clima de la Tierra”.

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Los Viajes Interestelares

Durante la década de los 70 la NASA/JPL lanzaron cuatro naves interplanetarias e interestelares. La Pioner 10 el 2 de marzo de 1972, la Pioner 11 el 6 de abril de 1973, la voyager 2 el 20 de agosto de 1977 y la Voyager 1 el 5 de septiembre de 1977. Las sondas Pioner y el Voyager 1 abandonaron el Sistema Solar hace tiempo y la Voyager 2 esta a punto de hacerlo.

Pioneer 10

La Pioneer 10 fue la primera misión de la NASA hacia los planetas exteriores y en una trayectoria hacia el exterior del Sistema Solar, que la situaría como el primer vehículo espacial en entrar al espacio interestelar. Para poder alcanzar Jupiter, su velocidad de escape alcanzó 51.682 km/h, siendo el objeto más veloz construido.
En su viaje por el sistema solar, atravesó el cinturón de asteroides hasta Jupiter y sus satélites Callisto, Ganimedes y Europa. Llegando a alcanzar una velocidad de 126.000 km/h en su máximo acercamiento al gran planeta. Aprovechando precisamente la fuera gravitatoria de Jupiter, aceleró hasta alcanzar una velocidad de 132.000 km/h, suficiente para escapar del Sistema Solar y entrar en el medio interestelar.

Originalmente diseñada para un funcionamiento de 21 meses, Pioneer 10 estuvo mas o menos operativa durante 30 años. Estudiando las partículas del viento solar y los rayos cósmicos procedentes de la Galaxia. La misión finalizó el 31 de marzo de 1997, aunque seguía enviando débiles señales. La última señal fue recibida el 23 de enero de 2003 cuando se encontraba a una distancia de 12.23 mil millones de kilómetros de la Tierra. La señal tardó 11 horas y 20minutos en alcanzar la Tierra. Se intentó un último contacto con la Pioneer 10 el 4 de marzo de 2006 sin éxito.

Actualmente se encuentra en el medio interestelar en un viaje de 2millones de años hacia la estrella Aldebaran.
En caso de interceptar vida inteligente, lleva una placa de aluminio con diagramas de un hombre y una mujer, el sistema solar y su localización relativa a 14 pulsars.

placa metálica Pioneer
placa montada en la Pioneer

Pioneer 11

Pioneer 11 fue la primera en fotografiar laszonas polares de Jupiter tres veces más cerca que Pioneer 10,obteniendo unas 200 imágenes de sus satélites. Igual que su gemelala Pioneer 10 utilizó la fuerza gravitatoria de Jupiter para acelerarhacia Saturno, obteniendo 440 imágenes del planeta de los anillos.Después de su visita a Saturno siguió una trayectoria hacia elmedio interestelar en una dirección opuesta a la de Pioneer 10. 22años después de su lanzamiento aun dos instrumentos seguíanoperativos hasta perder contacto definitivamente el 30 de septiembre de 1995.

The Grand Tour

La NASA continuaba con los planes para enviar sondas interplanetarias durante la década de los 70. Misión que recibió el nombre de “Grand Tour” y con la intención de diseñar y construir cuatro astronaves extremadamente complejas para explorar los cinco planetas exteriores del sistema solar. Pero los elevados costes provocaron que solamente se lanzaran dos sondas para explorar Jupiter y Saturno en 1977, los Voyager 1 y 2. Con la idea de que si el primero tenia éxito en Jupiter y Saturno se redirigiria el segundo mediante asistencia gravitatoria hacia Urano y Neptuno. Esto se conseguirá debido a una rara coincidencia geométrica entres los planetas durante la década de los 70 y 80, la denominada carambola cósmica. Esta configuración planetaria ocurre cada 175 años, pudiendo una sonda interplanetaria navegar de un planeta a otro con el mínimo combustible disponible, utilizando solamente la asistencia gravitatoria para acelerar y conseguir la velocidad necesaria para llegar al siguiente planeta.

Voyager 1

Su lanzamiento se efectuó el 5 de septiembre de 1977 con el objetivo de sobrevolar Jupiter y Saturno. Al llegar a Júpiter en febrero de 1979 descubrió un delgado anillo de menos de 30 km de espesor y la aproximación máxima sobre el planeta fue de 280.000 km. Siguiendo encuentros con algunos de sus satélites, Amaltea, Io, Europa, Ganimedes y Callisto. Obteniendo espectaculares fotografías. Las más espectaculares fueron sobre Io, con sus colores amarillo, naranja y marrón y 8 volcanes activos lanzando material de Io al espacio. Descubrió dos nuevos satélites de Jupiter, Thebe y Metis

Volcan en Io captado por Voyager 1

Voyager 2

Su lanzamiento se efectuó el 20 de agosto de 1977, después del Voyager 1. Supero con tranquilidad el paso a través del cinturón de asteroides al igual que su gemela Voyager 1, continuando hacia Jupiter y Saturno. Su transmisor principal dejo de funcionar el 5 de abril de 1978 siendo necesario utilizar el backup a partir de entonces. Empezó a transmitir imágenes de Jupiter el 24 de abril de 1979 y sobrevoló sus lunas, especialmente Europa, Callisto, Ganimedes y Io donde observo sus volcanes mucho más cerca que el Voyager 1.

Volcanes en Io captados por Voyager 2

El máximo acercamiento a Jupiter fue el 9 de julio de 1979 a 645.000 km, dos horas después corregía el rumbo en un viaje de dos años hacia Saturno, llegando al sexto planeta el 22 de agosto de 1981. Observando con mayor detalle el sistema de anillos y atravesándolos a una velocidad de 13 km/s, chocando con miles de granos de polvo micrométricos durante algunos minutos, siendo necesario que los cohetes de control de actitud se encendieran varias veces para estabilizar la nave. Fotografió tambien las lunas Hyperion, Enceladus, Tethys y Phoebe y las recientes descubiertas Helene, Telesto y Calypso.

Saturno visto por Voyager 2

Ante el éxito de Jupiter y Saturno el control de misión decidió llevar el Voyager 2 hacia una viaje de 4 años y medio hacia Urano. Sobrevoló Urano el 24 de enero de 1986 a una distancia de 81.500 km, descubriendo 10 nuevos satélites (Puck, Portia, Juliet, Cressida,Rosalind, Belinda, Desdemona, Cordelia, Ophelia y Bianca) y dos nuevos anillos.

Encontró vientos de 724 km/h en la atmósfera de Urano y un océano de agua hirviendo a 800 km debajo de las nubes. El 14 de febrero de 1986 puso rumbo hacia Neptuno en un viaje de 7 mil millones de kilómetros de distancia. El  25 de agosto de 1989 sobrevolaba Neptuno en su máximo acercamiento de 4.800 km sobre las nubes del planeta gigante. Descubriendo seis nuevas lunas (Proteus, Larissa,Despina, Galatea, Thalassa y Naiad), cuatro nuevos anillos y una gran actividad atmosférica, con vientos de 1100 km/h. Siendo el hidrógeno el elemento más abundante junto con el metano que le confiere su característico color azul. Para finalizar su misión de 12 años fotografió la luna Tritón.

Neptuno fotografiado por Voyager 2

Posteriormente se redirigió la nave hacia fuera del sistema solar y se colocaron sus instrumentos en modo de conservación de la energía. Renombrando la misión como Misión Interestelar del Voyager (Voyager Interestellar Mission).

Misión Interestelar

De las cuatro naves lanzadas fuera del sistema solar en la década de los 70, las Voyager 1,2 y el Pioneer 11 fueron en la direccióndel ápex solar, que es la dirección aparente en la que el Sol se mueve en la Galaxia. En cambio la Pioneer 10 se mueve en sentido contrario.

Situación de Voyater 1, 2 y Pioneer 1,2

En noviembre de 1998, 21 años después de ser lanzada la Voyager 2 aun continuaba siendo operativa. El 5 de noviembre de 2017 se encontraba a una distancia de 17.378 millones de kilómetros de la Tierra viajando a una velocidad de 15,4 km/s ( 55.440 km/h) relativa al Sol. A esa velocidad recorrerá un año luz en 19.390 años. Los datos procedentes de los instrumentos de detección de rayos cósmicos, experimento de partículas cargadas de baja energía, el magnetómetro, experimento de ondas de plasma y el espectrometro de plasma pueden estar operativos hasta el 2025-30. La potencia de los Voyager desciende en 4 watts por año, se estima que en 2030 se apagara completamente.

El objetivo de la Voyager Interestellar Mission (VIM) es extender la exploración del sistema solar más allá de los planetas exteriores, hacia los límites de la influencia del Sol y quizá más allá. Los Voyager continúan observando las condiciones del sistema solar exterior y buscando el contorno de la heliopausa, los límites del campo magnético solar y el viento solar. El choque entre el viento solar y el medio interestelar puede ser detectado a partir de las partículas que inciden en los detectores de partículas de los Voyager.

Interaccción entre el Sistema Solar y el medio interestelar

La misión interestelar es la extensión de la primera misión completada en 1989 por el Voyager 2 cuando sobrevoló Neptuno. Consiste en determinar la frontera entre el sistema solar y el medio interestelar y estudiar el espacio interestelar. Según la distancia al Sol el viento interestelar retiene al viento solar, creando una onda de choque donde se manifiesta la interacción entre las partículas solares y las partículas interestelares.

La Voyager 1 paso la zona de choque y se encuentra ya en el espacio interestelar. Se reconoce por la relación entre el nivel de partículas cargadas que se originan dentro del sistema solar (en color verde) y el nivel de rayos cósmicos originados fuera del sistema solar (en color naranja). Esto sugiere que la Voyager 1 entro en el medio interestelar el 25 de agosto de 2012 cuando el nivel de partículas interiores ( en verde ) se acerco casi a 0.0 y el de partículas exteriores (en naranja) se acerco a 2.0.

Detector de particulas del Voyager 1

Actualmente el Voyager 1 se encuentra a 21.650 millones de kilómetros de la Tierra y se aleja a una velocidad de unos 17 kilómetros por segundo, unos 61.200 kilómetros por hora.

Voyager 2 se encuentra a 17.885 millones de kilómetros de laTierra y se aleja a una velocidad de 15,4 km/s, que son 55.440 km/h. Se cree que puede estar entrando en el espacio interestelar, pues empezaba a registrar un aumento en el nivel de los rayos cósmicos (color naranja) originados fuera del sistema solar, a partir de finales del mes de agosto de 2018. Estos datos indicarían que el Voyager 2 se encuentra en los límites del sistema solar, denominado heliopausa.

Detector de particulas del Voyager 2

Hay que tener en cuenta que estos datos no son el signo definitivo de que la sonda esta atravesando la heliopausa. Precisamente el nivel a caído en picado en estos últimos días, como puede apreciarse en el gráfico del registro de partículas por segundo.

particulas/segundo

La incógnita sobre si la Voyager 2 esta entrando en el medio interestelar o no continua abierta.

Recordemos la película de Star Treck “La conquista del espacio”, donde una inmensa nave procedente del espacio exterior amenazaba a la Tierra. Era el Voyager que volvía para encontrarse con su creador, después de adquirir más tecnología y conocimiento durante sus contactos con alienigenas. Quien sabe que encontraran las Voyager en su camino a las estrellas.

Voyager 1,2 y Pioneer 10,11 en su viaje interestelar
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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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