Seis artículos en Science analizan el polvo del asteroide Itokawa traído a la Tierra por la sonda Hayabusa de la agencia espacial japonesa

El éxito de las misiones científicas espaciales tiene dos caras, que el experimento llegue a iniciarse y que los resultados ofrezcan alguna sorpresa que justifique la misión espacial. No siempre el éxito es doble. Lanzada en 2003, la sonda espacial Hayabusa alcanzó el asteroide Itokawa 25143 en 2005, tomando unas 1500 motas de polvo en una cápsula hermética que regresó a la Tierra en junio de 2010. Todo un tesoro para la Agencia de Exploración Espacial Japonesa, que había ensayado durante dos años cómo analizar dichas muestras sin contaminarlas. Itokawa 25143 es un asteroide cercano a la Tierra de tipo S (de silicio), típico del cinturón de asteroides más cercano a la Tierra. Gracias a las medidas espectroscópicas (la luz que se refleja en su superficie) se sabía que están hechos del mismo material que los meteoritos condríticos encontrados en la Tierra. Los científicos ya lo sabían, pero tenían que estar seguros. El nuevo análisis confirma dos cosas del tipo de quien fue primero el huevo o la gallina: por un lado, se demuestra que los asteroides son objetos arcaicos del sistema solar primitivo porque están formados por condritas; por otro lado, se confirma que las condritas son ejemplos de los materiales más antiguos del sistema solar. Una misión de 7 años que fue muy discutida cuando se creyó (durante 5 años) que las muestras podrían haberse contaminado durante el retorno a la Tierra. El análisis final parece indicar que no estaban contaminadas (porque tienen al composición que se esperaba que tuvieran). Repito lo dicho, el éxito de las misiones científicas espaciales tiene dos caras y en este caso solo podemos disfrutar de una de ellas, la otra, confirmar lo que ya se sabía, no ha ofrecido ninguna sorpresa. ¿Ha merecido la pena la misión? Sí, sin lugar a dudas.

Nos lo ha contado Alexander N. Krot, “Planetary Science: Bringing Part of an Asteroid Back Home,” Perspective, Science 333: 1098-1099, 26 August 2011. Los seis artículos científicos son Tomoki Nakamura et al., “Itokawa Dust Particles: A Direct Link Between S-Type Asteroids and Ordinary Chondrites,” Science 333: 1113-1116, 26 August 2011; Hisayoshi Yurimoto et al., “Oxygen Isotopic Compositions of Asteroidal Materials Returned from Itokawa by the Hayabusa Mission,” Science 333: 1116-1119, 26 August 2011; M. Ebihara et al., “Neutron Activation Analysis of a Particle Returned from Asteroid Itokawa,” Science 333: 1119-1121, 26 August 2011; T. Noguchi et al., “Incipient Space Weathering Observed on the Surface of Itokawa Dust Particles,” Science 333: 1121-1125, 26 August 2011; Akira Tsuchiyama et al., “Three-Dimensional Structure of Hayabusa Samples: Origin and Evolution of Itokawa Regolith,” Science 333: 1125-1128, 26 August 2011; y Keisuke Nagao et al., “Irradiation History of Itokawa Regolith Material Deduced from Noble Gases in the Hayabusa Samples,” Science 333: 1128-1131, 26 August 2011.

 

Las 1500 partículas de polvo analizadas están formadas por 5 minerales (algunos comunes en la Tierra y otros no). La combinación concreta de minerales observada no corresponde a ninguna roca terrestre lo que confirma que las partículas de polvo no han sido contaminadas durante su viaje de retorno a la Tierra. Ya se sabía la composición de los asteroides de tipo S  (gracias al análisis de sus espectros de reflexión) y las muestras la confirman de forma definitiva. La composición es similar a la de muchas condritas ordinarias pero no coincide de forma exacta con ellas. Según los autores la erosión por exposición a las condiciones del espacio (space weathering; gracias César por la aclaración) es la responsable de esta diferencia. Por ello, las muestras del asteroide permitirán estudiar y comprender mejor la erosión espacial en el interior del sistema solar (ya había sido estudiada en la Luna y Marte).

La agencia espacial japonesa lanzará en 2014 una nueva misión Hayabusa 2 que repetirá la hazaña en un asteroide de tipo C  (de carbono). Se espera que el número de muestras recogidas sea mayor. Dado que los asteroides de tipo C son muy ricos en agua y en materiales orgánicos, se espera obtener información muy relevante sobre el origen del agua y de la vida en el Sistema Solar.

PS (28 ago. 2011): Recomiendo la lectura de la entrada de César, “Resultados de Hayabusa: el origen de los meteoritos y los asteroides menguantes,” Experentia Docet, 26 agosto 2011. Para abrir boca, el primer párrafo de su estupenda entrada es “Uno de los logros más impresionantes de la astroquímica (cosmoquímica si somos puristas) acaba de adquirir carta de naturaleza con la publicación en Science de una serie de 6 artículos con los resultados de los análisis completos de unas 1500 partículas, de entre 3 y 180 µm de tamaño, recogidas directamente de la superficie de un asteroide por la sonda japonesa Hayabusa. Los datos confirman que los meteoritos que se encuentran más frecuentemente en la Tierra, las condritas, provienen de los denominados asteroides de tipo S (los rocosos, compuestos de silicio fundamentalmente) y que los asteroides disminuyen su tamaño como consecuencia de la erosión espacial, que también explica las anomalías espectrales observadas.”

La bicicleta que mi hijo quiere que le compre

Ya monta en bicicleta pero no sabe hacerlo como los mayores, soltando el manillar. Ya aprenderá. Por cierto a mí me gusta más esta otra bicicleta (aunque no se pueda montar). No en balde el artículo se publicó en Science (J. D. G. Kooijman et al., “A Bicycle Can Be Self-Stable Without Gyroscopic or Caster Effects,” Science 332: 339-342, 15 April 2011). Por cierto, hace unos años un doctorando me preguntó por qué no investigamos la física de la bicicleta y yo le contesté porque ya está muy estudiada; ¡qué equivocado estaba!

La anomalía de los antineutrinos en los reactores nucleares y los neutrinos estériles

Hay muchas noticias científicas de las que no nos hemos hecho eco en este blog, pero quizás tendríamos que haberlo hecho. En enero estuve a punto de hablar del artículo de G. Mention et al., “The Reactor Antineutrino Anomaly,” Phys. Rev. D 83: 073006, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Un artículo citado más de 40 veces en ArXiv y una de las noticias más importantes del año en cuanto a la física de los neutrinos (junto al descubrimiento de que el ángulo θ₁₃≠0). Los autores de este estudio descubrieron una anomalía sin explicación tras mejorar las técnicas para la predicción teórica de los resultados en su artículo Th.A. Mueller et al., “Improved Predictions of Reactor Antineutrino Spectra,” Phys. Rev. C 83: 054615, 2011 (ArXiv preprint, 14 Jan. 2011). Quizás sea buen momento de retomar esta cuestión, que he recordado por los recientes comentarios de Juan F. González Hernández en una entrada anterior. Por cierto, la noticia apareció ya en muchos medios gracias a Eugenie Samuel Reich, “The amazing disappearing antineutrino,”  News, Nature, Published online 1 April 2011.

La producción de antineutrinos en los reactores nucleares es debida a la desintegración beta, la transformación de un neutrón en un protón en el interior del núcleo inestable de un elemento radiactivo con la consiguiente emisión de un electrón y un antineutrino, con lo que el nucleido (A,Z) se transforma en (A,Z+1). Un análisis de 19 resultados publicados sobre el flujo de neutrinos en reactores nucleares ha encontrado un defecto en el flujo de antineutrinos en los detectores que se encuentran a menos de 100 metros del reactor. Un defecto del orden del 3% en el flujo de antineutrinos producido por los isótopos radiactivos ²³⁵U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu y ²³⁸U. El nuevo artículo afirma que el cociente entre la tasa de eventos observada y la predicha es de 0,943±0,023, que implica una desviación respecto a la unidad con una nivel de confianza del 98,6% (2,2 σ). ¿Qué puede explicar esta anomalía? Obviamente, podemos ser malos y pensar que los nuevos cálculos teóricos de Th.A. Mueller et al. para la tasa de emisión de antineutrinos por reactores  ocultan algún fallo que nadie ha sabido ver aún (los cálculos previos no predecían la anomalía conduciendo a 0,976±0,024). Otra posibilidad es que la anomalía observada, de solo 2,2 σ de confianza, podría ser una fluctuación estadística o el efecto de errores sistemáticos; hay que recordar que menos de 100 metros es una distancia muy corta para observar oscilaciones de neutrinos; aunque en descargo de los autores, que una fluctuación estadística esté correlacionada en 19 experimentos diferentes parece poco probable. Finalmente, la posibilidad más interesante es que estemos ante una señal de nueva física más allá del modelo estándar.

Mention et al. han estudiado la posibilidad de que la anomalía que han observado tenga su origen en la existencia de un cuarto neutrino estéril (los neutrinos faltantes oscilarían (cambiarían de tipo/sabor) a dicho neutrino). Combiando sus nuevos resultados con los de los experimentos GALLEX-I, GALLEX-II, SAGE-Cr, SAGE-Ar y MiniBooNE confirman dicha hipótesis (descartan la hipótesis contraria de que no haya oscilación al 99,8% C.L. o con una confianza de 3 σ). El problema con la existencia de este neutrino estéril es que su existencia junto a la anomalía de antineutrinos descartan al 90% C.L. que el ángulo θ₁₃>0 (el otro gran resultado de este año en física de neutrinos que contamos en “Los seis neutrinos que cambiaron el mundo“). Sin embargo, no todos los físicos están de acuerdo con este análisis de Mention et al. Por ejemplo, Schwetz et al. afirman que la anomalía es compatible con θ₁₃>0 con una confianza de 1,8  σ, y Fogli et al. que afirman que es compatible con sin² θ₁₃= 0,025 ± 0,007 con una confianza de 1 σ.

Cualquier evidencia de nueva física más allá del modelo estándar introduce una chispa en la mente de los físicos teóricos que no pueden evitar ofrecer soluciones “exóticas” (quizás sea parte de la genética de los físicos teóricos). Por ejemplo, la anomalía de los antineutrinos en los reactores podría estar causada por las dimensiones extra del espaciotiempo, como nos propone Pedro A.N. Machado et al., “An Alternative Interpretation for the Gallium and Reactor Antineutrino Anomalies,” ArXiv preprint, 12 Jul. 2011; ver también P.A.N. Machado, “Large extra dimensions and neutrino oscillations,” NuFact Aug 06, 2011.

Ya hemos hablado de neutrinos estériles en varias ocasiones en este blog (tanto a favor, como en contra de su existencia). Los fermiones con masa, partículas de espín 1/2 como el electrón, tienen dos componentes de helicidad definida, e_L y e_R; sin embargo, los fermiones sin masa pueden tener una sola componente de helicidad definida, como se pensaba que pasaba con los neutrinos antes de que se descubriera que tenían masa, ν_eL, ν_μL y ν_τL. Ahora que sabemos que los neutrinos tienen masa, luego tienen que existir sus componentes ν_eR, ν_μR y ν_τR. Hay dos posibilidades, que el neutrino sea una partícula de Dirac, como el electrón, o que el neutrino sea una partícula de Majorana (en cuyo caso sería idéntica a su antipartícula). La mayoría de los físicos teóricos prefieren esta última posibilidad, pero los datos experimentales todavían no han podido verificarla. Un neutrino estéril ν_sL sería un neutrino anti-ν_R de baja masa que no interacciona mediante las interacciones fundamentales del modelo estándar (las interacciones electrodébil y cromodinámica), pero que puede oscilar con los otros tres neutrinos.

La física de los neutrinos es una de las ramas de la física de partículas más excitantes en estos momentos que promete gran número de sorpresas en la presente década. Una de estas sorpresas podría ser el descubrimiento de la existencia de los neutrinos estériles que podrían ser la antesala a efectos más exóticos (como la violación de la simetría CPT). Los neutrinos estériles también podrían ser un candidato a explicar la materia oscura del universo (no sería materia oscura caliente, solo cálida o warm dark matter), aunque tendrían que tener una masa mucho mayor de 1 eV y los datos cosmológicos apuntan a que la suma de las masas de todos los neutrinos (incluidos los estériles, si existen) es inferior a 1 eV. De hecho, los datos del fondo cósmico de microondas de WMAP-7 son compatibles con la existencia de 3+1 neutrinos (aunque no descartan que haya solo 3 neutrinos). Además, resultados preliminares de IceCube se interpretan mejor con 3+1 neutrinos, aunque tampoco descartan que haya solo 3 neutrinos. Muchos resultados experimentales están a favor de la existencia de los neutrinos estériles y muchos otros están en contra. De hecho, hay quien a propuesto un modelo 3+2, con dos neutrinos estériles como una solución de compromiso que evitaría muchas de las dificultades en contra de la existencia de un solo neutrino estéril (como J. Kopp et al., “Are there sterile neutrinos at the eV scale?,” ArXiv preprint, 23 Mar 2011).