Próximas noticias sobre el bosón de Higgs el 14 de noviembre desde Kioto (Japón)

Las próximas noticias sobre el Higgs se publicarán en el congreso 2012 Hadron Collider Physics Symposium (HCP2012), en la sesión sobre el Higgs que tendrá lugar el miércoles 14 de noviembre de 14:30 a 19:00 (día y hora de Tokio). Habrá charlas de ATLAS y CMS sobre los canales H→WW, H→ZZ, H→γγ, H→ττ, y H→bb. No se sabe cuáles de estas charlas presentarán resultados nuevos y cuáles repetirán los ya publicados en julio, pero todo indica que habrá nuevos resultados (así nos lo indicó Incandela (portavoz de CMS) y nos lo recuerdan en “Are the Higgs Rumors True?“). ¿Cuántos datos de colisiones serán analizados? No se sabe, pero se cree que unos 15 /fb de colisiones a 8 TeV de 2012 (a día de hoy ya se han acumulado más de 18 /fb) y los 5 /fb de colisiones de 7 TeV de 2011. Además, ha habido progresos en las técnicas de análisis de las colisiones, lo que permite sacar más rendimiento de los mismos datos. Hay varias cuestiones clave que podrían dilucidarse, con suerte, el 14 de noviembre; nos las recopila Jester, “Higgs: New Deal.”

1. La desintegración de un Higgs en dos fotones (H→γγ). Los datos publicados el 4 de julio mostraban una desviación de algo menos de dos sigmas en la tasa desintegración de un Higgs en dos fotones, en concreto un exceso del 80% y del 60% en ATLAS y CMS, resp. Obviamente, un exceso a dos sigmas es casi seguro una fluctuación estadística, pero ha sorprendido a muchos que en los dos experimentos la desviación tenga el mismo sentido. El 14 de noviembre hay dos resultados posibles. Por un lado, que el exceso desaparezca o decrezca, confirmando que el bosón de Higgs observado corresponde al predicho por el modelo estádnar. Y por otro lado, que el exceso se mantenga o crezca; como se espera que el error se reduzca en un tercio gracias a las nuevas colisiones, la confianza estadística sobre el exceso puede superar con creces las tres sigmas. Para muchos físicos esto sería una maravillosa señal de la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. Por ahora solo podemos esperar.

2. La desintegración de un Higgs en un par de leptones tau (H→ττ). Los datos del 4 de julio no mostraban ninguna señal de un Higgs en el canal de desintegración en dos tau, como si el Higgs no existiera (en este canal); solo CMS utilizó datos de 2012 en este canal, ya que ATLAS se limitó a usar datos de 2011. Este canal no tiene sensibilidad suficiente para observar un Higgs, por lo que este problema se considera de menor relevancia que el anterior. Todo el mundo espera que el 14 de noviembre se publique información interesante en este canal, que con casi 20 /fb de colisiones (sumando datos de 2011 y 2012) ya tiene sensibilidad suficiente para observar algún exceso asociado al Higgs.

3. La desintegración de un Higgs en un par de quarks bottom (H→bb). El Tevatrón observó un exceso en este canal con tres sigmas, en la desintegración asociada con un bosón vectorial (WH→bb y ZH→bb), pero ni Tevatrón ni LHC tenían sensibilidad suficiente en julio para ver al Higgs en este canal. Con menos de 20 /fb de colisiones (sumando 2011 y 2012), el LHC tampoco tendrá sensibilidad suficiente para ver el Higgs, aunque podría verse algún exceso similar al observado en el Tevatrón. No es fácil y yo creo que habrá que esperar a la primavera de 2013 (Moriond) para ver algo, pero ya se sabe que en física de partículas muchas veces hay sorpresas.

4. La desintegración de un Higgs en un bosón Z y un fotón (H→Zγ). Este canal se parece al canal H→ZZ→4l (donde 4l son 4 leptones, o sea 4 muones, 4μ, o 2 mones y dos electrones, 2μ2e) en que la señal de la desintegración H→Zγ→γ2l (especialmente cuando 2l es 2μ) es una señal muy limpia, con muy poco ruido, y muy fácil de reconstruir con precisión; esto significa que incluso unos pocos eventos ofrecen una señal clara e inequívoca. Con menos de 20 /fb de colisiones será difícil ver al Higgs en este canal, salvo que la desintegración del Higgs en fotones esté reforzado (segunda posibilidad en la opción 1, más arriba). En cualquier caso, el canal H→Zγ es muy importante a la hora de restringir las posibilidades de nueva física más allá del modelo estándar.

5. El bosón de Higgs es una partícula escalar (espín cero). Ya se puede asegurar que el bosón de Higgs observado el 4 de julio tiene espín entero distinto de la unidad, pero no hay colisiones suficientes para decidir si su espín es cero (como predice la teoría) o dos (lo que sería una sorpresa mayúscula, más aún, revolucionaria). La combinación oficiosa de datos de LEP, Tevatrón y LHC indica que el Higgs tiene espín cero, pero utilizando datos de LHC aún no se puede asegurar. Con menos de 20 /fb el 14 de noviembre será difícil llegar a cinco sigmas a favor de una partícula escalar, pero se espera que se superen holgadamente las tres sigmas. La cuestión de si el Higgs observado es una partícula escalar o pseudoescalar tendrá que esperar a la primavera de 2013, salvo que haya alguna sorpresa.

6. La incertidumbre en la masa del bosón de Higgs. La masa del bosón de Higgs según CMS es 125,3 ± 0,4(stat.) ± 0,5(syst.) GeV, y según ATLAS es 126,0 ± 0,4(stat) ± 0,4(sys) GeV. Con los datos del 14 de noviembre se espera que estos errores se reduzcan a entre 0,1 y 0,2 GeV, con un valor central que podría rondar los 125,5 GeV.

En resumen, los datos que se publiquen el 14 de noviembre podrían ser muy interesantes para saber si el Higgs es el predicho por el modelo estándar (sobre todo en cuanto al exceso en el canal difotónico), aunque todavía es pronto para que sean concluyentes. En cualquier caso, serán un acicate importante para que quienes nominan candidatos al Premio Nobel de Física de 2013 apoyen la candidatura del Higgs.

Aceptan un artículo de Mathgen en una revista de matemáticas cuyo editor principal es español

¿Quién es el responsable de que un artículo generado por ordenador sea aceptado en una revista internacional? Mathgen es un generador online de artículos de matemáticas basado en SCIgen. El 13 de agosto de 2012, el editor principal de la revista open access Advances in Pure Mathematics aceptó un artículo enviado el 3 de agosto que había sido generado por Mathgen. ¿Realmente ha sido sometido a revisión por pares el artículo generado por Mathgen? A priori, uno tiende a dudarlo. “Independent, Negative, Canonically Turing Arrows of Equations and Problems in Applied Formal PDE” [copia en PDF] es un artículo sin sentido, imposible de entender y con un formato inaceptable, pero ha sido aceptado. La respuesta en plan broma del autor ficticio Professor Marcie Rathke (University of Southern North Dakota at Hoople) a los comentarios de los revisores no fue entendido por el editor, quien los aceptó sin más y solicitó el pago de los 500$ por el artículo. Obviamente, Nate Eldredge no quiso gastarse ni un dólar, pero nos lo cuenta en su entrada “Mathgen paper accepted!,” That’s Mathematics!, Sep. 14, 2012.

Lo que apena de este caso es que el editor principal de Advances in Pure Mathematics es un profesor español del departamento de geometría y topología de una prestigiosa universidad española. No tengo ni idea de qué puede haber ocurrido, pero ahora mismo es el hazmerreír de toda la comunidad matemática internacional. Una pena.

 

Francis en ¡Eureka!: Microbalones de fútbol fabricados por evaporación de gotas coloidales en una microcama de faquir

El titular de esta entrada puede parecer muy rebuscado, pero sigue la línea del artículo técnico “Building micro-soccer-balls with evaporating colloidal fakir drops,” arXiv:1203.4361, enviado primero a Physical Review Letters, pero que ha acabado apareciendo en PNAS, como Álvaro G. Marín et al, ”Building microscopic soccer balls with evaporating colloidal fakir drops,” PNAS 109: 16455-16458, October 9, 2012. Álvaro es un físico sevillano que tras obtener su doctorado en el grupo de Antonio Barrero Ripoll (1947-2010), como muchos jóvenes, tuvo que emigrar para continuar su brillante carrera investigadora. Tras tres años en la Univ. de Twente, Holanda, ahora se encuentra en la Univ. Bundeswehr de Múnich, Alemania. Su trabajo en micro- y nano-fluidos es realmente interesante. La sección ¡Eureka! de La Rosa de los Vientos, Onda Cero, de este fin de semana ha estado dedicado a su trabajo. Si te apetece escuchar el audio, sigue este enlace.

De Juana la Loca hasta las baterías de litio viajando por algunos carnavales de ciencias

Doña Juana I de Castilla y Aragón (1479-1555), Juana la Loca, Reina Propietaria del trono de España, fue la reina más poderosa de su tiempo, aunque nunca gobernó. Su padre, su esposo y más tarde su propio hijo afirmaron que estaba loca, mientras muchos nobles castellanos y los comuneros pretendían que dicha locura era pura invención de quienes querían usurparle el trono. Juana fue “internada” en Tordesillas, pues el confinamiento era el tratamiento oficial para la locura en su época. Sin embargo, todos los hijos de Juana, esposas y esposos de estos, incluso sus nietos ya en edad adulta, sobrinos y sobrinas, visitaban Tordesillas a menudo y le profesaban respeto, admiración y cariño. Si se tratara de una mujer alienada, celosa y delirante sería difícil imaginar de qué modo hubiera podido crear las condiciones de esa unión familiar alrededor de su persona, por tantas generaciones y ramas familiares. La leyenda de la “locura de amor” que Juana profesaba por su marido, Felipe “el Hermoso,” nació cuando Juana fue heredera legítima del trono de Castilla, tras varias muertes inesperadas, entre ellas la de su hermano Juan y su hermana Isabel. Con anterioridad no hay ninguna documentación al respecto. La salud “oficial” de Juana siempre osciló según las necesidades políticas.  Además, como en la Edad Media la locura era un “vicio,” Juana ha pasado a la historia como mujer lujuriosa, dominada por la desesperación, carente de prudencia y rebelde. Nos lo cuenta Begoña Matilla, “El mito de la Reina Juana: ¿“la Loca”?“

Pensar la locura de Juana desde la óptica del saber actual, nos induciría a error. Juana fue una mujer moderna para su tiempo que logró, desde las armas que las mujeres podían esgrimir en los inicios de la Edad Moderna, no perder su titularidad real por la que luchó con uñas y dientes, y hacer posible el gobierno de sus descendientes. Juana organizó estrategias políticas para asegurar la sucesión legítima de su hijo Carlos al trono, como esquivar la voluntad paterna, rompiendo todos los códigos de la época al no volver a casarse después de enviudar, a pesar de las muchas presiones recibidas. Además, cuando los Comuneros se alzaron contra Carlos V y la liberaron de su encierro, Juana logró esquivar sus pretensiones, que de facto, hubieran desheredado a Carlos. Gracias a ella, los Austrias ganaron la partida del poder en España.

La imagen que mucha gente tiene de Juana está moldeada por la película “Juana la loca” (2001) de Vicente Aranda, “una explosiva historia de amor” con más erotismo que precisión histórica, remake de ”Locura de amor” (1948) de Juan de Orduña. Pilar López de Ayala interpreta el papel de una neurótica “loca de amor” que le permitió obtener un Goya. La imagen de Juana I que ofrece esta película me recuerda a una psicosis maníaco-depresiva o transtorno bipolar. Su tratamiento actual, basado en el carbonato de litio, será el leitmotiv de esta entrada, cuyo objetivo era superar el reto de los 7 carnavales lanzado por José Manuel López Nicolás (@ScientiaJMLN) en Twitter y superado por él mismo en su blog Scientia. No sé si lo he conseguido, pero no importa. Me ha servido para aprender muchas cosas sobre historia que no sabía. Espero que tú también disfrutes con mi resumen.

Nota dominical: Los matemáticos polacos, Alan Turing y el secreto de la máquina Enigma

Máquina Enigma de 3 ruedas (C) National Museum of Science and Industry.

Muchos creen que Alan Turing, que recibió la Orden del Imperio Britanico por ello, fue el responsable de las técnicas matemáticas de criptoanálisis que revelaron el secreto de la máquina Enigma, utilizada por los nazis para cifrar sus conversaciones militares. Sin embargo, entre 1932 y 1938, el servicio secreto polaco (Biuro Szyfrów), gracias al criptoanálisis de la máquina Enigma de tres ruedas realizado por Marian Rejewsky, fue capaz de descifrar el 75% de los mensajes cifrados que lograron interceptar. Nos lo cuenta estupendamente B. Jack Copeland, “Enigma,” pp. 217-264 in “The Essential Turing. Seminal Writings in Computing, Logic, Philosophy, Artificial Intelligence, and Artificial Life plus The Secrets of Enigma,” Edited by B. Jack Copeland, Clarendon Press, 2004. Todos los que quieran saber más sobre la vida y obra de Turing deberían leerse este libro de Copeland.

En septiembre de 1938 los nazis cambiaron el sistema para asignar claves diarias. Pocas semanas más tarde, Rejewsky y sus colegas desarrollaron dos nuevos métodos de criptoanálisis, uno basado en hojas de papel perforadas con agujeros que permitían determinar la nueva clave diaria y el otro basado en una máquina  electromecánica (diseñada por Rejewski y el ingeniero Antoni Palluth) a la que llamaron “bomba” (en plural “bomby”). El nombre “bomba” fue elegido de forma jocosa; no sabían que nombre elegir y mientras le daban vueltas al asunto, uno de ellos disfrutaba de un postre helado de origen francés que en polaco recibía el nombre de “bomba” (versión polaca del francés “bombe”). En noviembre de 1938 ya disponían de seis “bomby” en operación, capaces de descifrar en dos horas lo que de otra forma requería unas 200 horas de trabajo de una persona. Sin embargo, en diciembre de 1938, los nazis añadieron dos ruedas más a la máquina. Los recursos disponibles por el Biuro Szyfrów polaco no eran suficientes para fabricar todas las réplicas necesarias para cubrir todas las combinaciones posibles de las ruedas de la máquina (donde antes bastaban 6 diferentes ahora eran necesarias 60 y por cada una había que fabricar 36 réplicas). Los polacos necesitaban ayuda.

La electrónica de transformación basada en el control de la masa efectiva del electrón

La óptica de transformación está de moda. Tras la acústica de transformación, ahora nos proponen la electrónica de transformación. Te recuerdo, la óptica de transformación se basa en los metamateriales que permiten controlar las propiedades efectivas del índice de refracción, susceptibilidad eléctrica y permeabilidad magnética del material gracias a un diseño adecuado de su microestructura. En la electrónica de transformación la idea es controlar la masa efectiva de los electrones y huecos que se propagan en el material utilizando un diseño similar. En lugar de usar un metamaterial se utiliza una superred (superlattice) semiconductora en la que la masa efectiva de los portadores de carga presentan una fuerte anisotropía. La óptica de transformación permite el desarrollo de materiales muy exóticos como superlentes o capas de invisibilidad. En la electrónica de transformación nos proponen la fabricación de materiales en los que los electrones se comportan de forma efectiva como partículas sin masa, cuando se mueven en ciertas direcciones, lo que permitirá desarrollar dispositivos ultrarrápidos (no limitados por la movilidad de los electrones y huecos), con alta conductividad (que a baja temperatura es independiente de la temperatura) y con una respuesta no lineal fuerte. Todas estas propiedades los hacen fascinantes a la hora de desarrollar multitud de nuevos dispositivos para aplicaciones prácticas con las que ahora solo podemos soñar. Obviamente, la electrónica de transformación aún es solo una propuesta teórica, no demostrada mediante experimentos. Nos lo cuentan Mario G. Silveirinha, Nader Engheta, “Transformation Electronics: Tailoring Electron’s Effective Mass,” arXiv:1205.6325, 2012.

Metamateriales hiperbólicos que permiten estudiar la causalidad en el espaciotiempo de Minkowski

Los metamateriales y la óptica de transformación están de moda pues permiten diseñar dispositivos fascinantes como lentes perfectas, capas de invisibilidad y objetos negros perfectos. Un metamaterial fabricado e iluminado con un haz láser en la aproximación de rayos extraordinarios (es decir, paralelos al eje de anisotropía) permite desarrollar un análogo óptico al concepto de espaciotiempo de Minkowski en 2+1 dimensiones y con él análogos físicos a agujeros negros, agujeros de gusano, propulsores (warp drive) de Alcubierre y cuerdas cósmicas. En estos sistemas una de las coordenadas espaciales del metamaterial tridimensional (por ejemplo la vertical) se comporta como tiempo y las otras dos (las transversales) como espacio, con lo que se simulan métricas de Minkowski solo en 2+1 dimensiones. El problema es que la luz en este medio puede propagarse por la coordenada que hace de tiempo (la vertical) en ambas direcciones, violando la causalidad (los eventos del “futuro” simulado pueden afectar a los eventos del “pasado” simulado). Igor I. Smolyaninov (Univ. Maryland, EEUU) propone un nuevo diseño de metamaterial hiperbólico “causal” que presenta una ruptura de la simetría PT (combinación de la simetría de reflexión en un espejo y la inversión temporal), lo que garantiza que la luz solo se puede propagar en una de las direcciones a la largo de la coordenada espacial que hace de tiempo. Con ello, el espaciotiempo de Minkowski que se simula en el material conserva la causalidad. La propuesta es puramente teórica y las figuras se han obtenido utilizado una simulación en COMSOL, sin embargo, el autor cree que estos metamateriales son realizables físicamente. Habrá que estar al tanto en los próximos años. El artículo técnico es Igor I. Smolyaninov, “Modeling of causality with metamaterials,” arXiv:1210.5628, Subm. 20 Oct 2012.

Las revistas de acceso gratuito y la revista PLoS ONE

Este vídeo de PhD Comics explica muy bien lo que son las revistas de acceso gratuito (open access). Me ha recordado que hace unos días, un compañero de la Universidad Politécnica de Valencia se sorprendió cuando le dije que PLoS ONE es la revista científica que publica más artículos al año del mundo. Según ISI WOS, publicó 4403 artículos en 2009, 6722 artículos en 2010, y 12075 artículos en 2011. ¿Cuántos lleva en 2012? En septiembre ya había superado los 12000, lo que apunta a que se acercará a los 20000 para finales de año. ¡Una barbaridad! Por ello, la revisión por pares de PLoS ONE es como la lotería, te pueden tocar revisores que acepten casi cualquier cosa, o te pueden tocar unos “cabrones” que te saquen los colores (mi amigo dice que le han pasado ambas cosas y no lo entendía). Los editores no pueden realizar con éxito su labor de elegir de forma adecuada a los revisores, dado el enorme volumen de artículos que manejan al año, de ahí que la revisión por pares sea “ligera” (por decirlo de forma políticamente correcta).

¿Cuál es la segunda revista por volumen de artículos publicados al año? Mi amigo, y varios de los oyentes de la conversación, no se lo podían creer, pero la segunda en volumen es Physical Review B que publicó 5676 artículos en 2009, 6032 artículos en 2010, y 6148 en 2011 (en 2012 publicará un número similar). Escribo esta entrada para mi amigo, que pensaba (inocente él) que Physical Review Letters tenía que publicar muchos más artículos que Physical Review B. Obviamente, yo no recordaba los números, pero le dije que tenía que publicar como la mitad. Para él (y para tí que lees esto), PRL publicó 3414 artículos en 2009, 3119 en 2010, y unos 3244 en 2011.

Las redes sociales y las elecciones en EEUU

Cada año electoral en EEUU es un hervidero de artículos sobre el papel de la web y las redes sociales (Facebook, Twitter y YouTube) a la hora de predecir el resultado. Como solo hay un 50% de posibilidades de acertar (o errar) siempre hay artículos cuyos autores pueden presumir de haber acertado, incluso en más de una ocasión. Sin embargo, los medios de comunicación social y los resultados de los algoritmos de análisis pueden ser fácilmente manipulados. Por ejemplo, alterando el número de seguidores de los candidatos en Twitter (uno de los candidatos presidenciales de este año aumentó su número de seguidores en 110.000 en un solo día, pero un análisis demostró que la mayoría de estos seguidores no eran personas reales). Los organizadores de la campaña utilizan de forma regular “Google bombs” (que engañan al algoritmo PageRank de Google y logran posicionar ciertos sitios web en los primeros lugares en los resultados de búsqueda para ciertos términos) y ”Twitter bombs” (que logran trending topics gracias a retuitear de forma automática los tuits que incluyen cierta etiqueta o hashtag). Predecir los resultados electorales de forma fiable gracias a la web y las redes sociales requiere técnicas avanzadas de detección de “bombas” y de spam, técnicas contra las que compiten los desarrolladores de “bombas.” Por ello, algunos algoritmos tienen éxito en sus predicciones y otros no, o solo en algunas ocasiones y no en otras. La verdad es que muchos no usamos Twitter para hablar de política y los estudios indican que solo el 1% de los usuarios es responsable del 30% del volumen de tráfico sobre política. Nos lo cuentan Panagiotis T. Metaxas, Eni Mustafaraj, “Social Media and the Elections,” Science 338: 472-473, 26 October 2012.

El aprendizaje asociativo del comportamiento social en los nemátodos

Estudiar el sistema nervioso humano es muy complicado porque es una red muy compleja de células interconectadas entre sí. Todas nuestras acciones, sentimientos, recuerdos, sueños, incluso nuestra conciencia, emergen de su funcionamiento. Para entenderlo se utilizan modelos animales con un sistema nervioso mucho más sencillo, como el nemátodo Caenorhabditis elegans, un “gusano” de solo 1 mm de largo con menos de 400 neuronas, cuyo genoma codifica tantos neurotransmisores, receptores de neurotransmisores, canales iónicos y componentes de la sinapsis como los seres humano. En los humanos, las hormonas oxitocina (OT) y vasopresina (VP) estimulan comportamientos maternales, reproductivos, agresivos y afiliativos; no solo en humanos, también en los mamíferos. Siendo hormonas cuyo origen genético se remonta hasta hace al menos 700 millones de años, podemos esperar que también sean importantes en los invertebrados. Sendos artículos en Science han encontrado una hormona del nemátodo C. elegans, llamada nematocina (NTC-1) que es análoga a OT y VP, cuya función es regular el comportamiento reproductivo y la plasticidad gustativa (quimiotaxis) en estos invertebrados. Nos lo cuenta Scott W. Emmons, “The Mood of a Worm,” Science 338: 475-476, 26 October 2012, quien se hace eco de los artículos técnicos de Jennifer L. Garrison et al, “Oxytocin/Vasopressin-Related Peptides Have an Ancient Role in Reproductive Behavior,” Science 338: 540-543, 26 October 2012, y Isabel Beets et al, “Vasopressin/Oxytocin-Related Signaling Regulates Gustatory Associative Learning in C. elegans,” Science 338: 543-545, 26 October 2012.

Fermi LAT confirma que el púlsar PSR J1311-3430 es de tipo “viuda negra” gracias a su emisión de rayos gamma

Los púlsares de milisegundos tipo “viuda negra” son estrellas de neutrones viejas que giran debido a su acreción de la materia de una estrella compañera. Su velocidad de rotación puede alcanzar cientos de revoluciones por segundo. Hasta ahora, todos las “viudas negras” habían sido descubiertas gracias a sus emisiones de radio. Gracias al telescopio de rayos gamma Fermi LAT (Large Area Telescope) se ha detectado por primera vez un púlsar tipo “viuda negra” de 2,56 milisegundos, llamado PSR J1311-3430, en la constelación de Centaurus. El púlsar está en una órbita circular (alrededor del centro de masas común con su estrella compañera) con un período orbital de solo 93 minutos, el más corto de todos los encontrados hasta ahora; durante esos 93 minutos, rota sobre sí mismo unas 2,18 millones de veces (uno de los más veloces entre los conocidos). La estrella que acompaña a PSR J1311‐3430 tiene un diámetro de solo 88 mil kilómetros, casi el 60% del tamaño de Júpiter, pero una masa unas ocho veces más grande, lo que implica una densidad altísima (equivalente a 30 veces la del Sol). Se cree que el núcleo de esta estrella es de helio y pierde materia por evaporación hacia el púlsar que se encuentra muy cerca de ella, a tan solo 520 mil kilómetros, lo que equivale a 1,4 veces la distancia entre la Tierra y la Luna. En este hallazgo han participado investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), por ello nos lo cuentan en “Descubierta la viuda negra estelar con el periodo orbital más corto del cosmos,” SINC, 25 oct. 2012. El artículo técnico es H. J. Pletsch et al, “Binary Millisecond Pulsar Discovery via Gamma-Ray Pulsations,” Science Express, Published Online October 25 2012 [artículo].

La epistasia es el factor principal que regula la evolución a nivel de las proteínas

En genética se llama epistasia a la interacción entre diferentes genes en relación a cierta característica del fenotipo. En concreto, al hecho de que un gen en cierto locus puede afectar al fenotipo resultado de otro gen en otro locus diferente. Se publica en Natureun análisis estadístico cuantitativo que muestra que la epistasia es el factor más importante que regula la evolución al nivel de las proteínas; el riguroso análisis de las secuencias de proteínas realizado por Breen et al. sugiere que las interacciones funcionales entre los aminoácidos son un factor clave en la evolución de las secuencias de las proteínas. Aunque aún no está resuelta la cuestión de si la evolución viene determinada por la ecología y el medio ambiente (la selección natural de Darwin y Wallace), o por las características internas del propio organismo (como el contexto genético en el que se produce una mutación), todo apunta que el papel de estas últimas es más importante de lo que muchos pensaban. El “teorema fundamental” de la selección natural en la genética de poblaciones afirma que la respuesta genética a la selección es independiente del contexto que existe en la población; la epistasia, cuando existe, es simple ruido dentro del proceso evolutivo. Sin embargo, este teorema podría ser incorrecto al nivel del proteoma y su evolución de confirmarse los estudios de Breen y sus colegas. Los autores han estudiado la epistasia en las secuencias de aminoácidos de 16 proteínas compartidas por al menos 1.000 especies (y cuya secuencia sea conocida). Sin epistasia, la ausencia de correlaciones estadísticas entre genes debería dar un valor cercano al 50%, sin embargo, su análisis estadístico encuentra un valor de solo el 5%, lo que implica que la epistasia es un factor clave. La sustitución de un aminoácido concreto solo se mantiene durante mucho tiempo evolutivo si va acompañado de ciertas sustituciones adecuadas de otros aminoácidos en otras partes de la misma proteína. Un resultado realmente sorprendente. Nos lo cuenta Günter P. Wagner, “Genetics: The inner life of proteins,” Nature 490: 493-494, 25 October 2012, quien se hace eco del artículo técnico de Michael S. Breen, Carsten Kemena, Peter K. Vlasov, Cedric Notredame & Fyodor A. Kondrashov, “Epistasis as the primary factor in molecular evolution,” Nature 490: 535-538, 25 October 2012.

 

El dilema del prisionero, la cooperación molecular y el origen de la vida

El dilema del prisionero de Tucker, un juego de suma no nula, demuestra que la no cooperación, el egoísmo puro y duro, resultado del equilibrio de Nash, puede ser la mejor solución de muchos problemas. Hay variantes del juego con la conclusión opuesta, en las que la cooperación es la solución de equilibrio. Hay moléculas orgánicas por doquier en el universo, sin embargo, el origen de la vida en la Tierra sigue siendo aún un gran misterio. Cómo un conjunto de moléculas orgánicas inanimadas se autoorganizó para dar lugar al primer ser vivo. Nilesh Vaidya (Universidad Estatal de Portland, Oregon, EEUU) y sus colegas sugieren en Nature que la cooperación entre las moléculas pudo contribuir al origen de la vida. En cierto sentido, estas ideas son opuestas a la teoría del gen egoísta de Richard Dawkins, ya que el egoísmo, igual que en el dilema del prisionero, no conduce a la solución óptima. El nuevo artículo muestra ejemplos de redes de moléculas de ARN que se ensamblan entre sí gracias a la cooperación molecular, lo que sugiere que ésta puede ser tan antigua como la vida misma. Como es obvio, sus ideas se enmarcan dentro de la hipótesis del “mundo de ARN” que sugiere que la biología primordial carecía de ADN y de proteínas, siendo el ARN responsable tanto de la herencia como del metabolismo. El nuevo artículo es realmente sugerente, aunque todavía queda mucho para que resolvamos el misterio del origen de la vida. Nos lo cuentan James Attwater & Philipp Holliger, “Origins of life: The cooperative gene,” Nature, Published online 17 October 2012, que se hacen eco del artículo técnico de Nilesh Vaidya, Michael L. Manapat, Irene A. Chen, Ramon Xulvi-Brunet, Eric J. Hayden & Niles Lehman, “Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators,” Nature, Published online 17 October 2012 (recomiendo a los biomatemáticos echar una ojeada al modelo matemático que aparece en la Información Suplementaria del artículo).

Hacia la cura del dolor gracias al veneno de la mamba negra

Una nueva clase de toxinas polipeptídicas, las mambalginas, aislados en el veneno de la mamba negra, la serpiente más venenosa de África, pueden eliminar el dolor gracias un subtipo particular de canales iónicos sensibles a los ácidos (ASIC por Acid-Sensing Ionic Channels), tanto en las neuronas del sistema nervioso central como en el periférico. Las mambalginas tienen un efecto analgésico tan fuerte como la morfina. Siendo tan efectivas contra el dolor, tienen la ventaja de que no son tóxicas (solo se ha demostrado en ratones) y no tienen contraindicaciones respiratorias (también demostrado solo en ratones). Eric Lingueglia (CNRS, Francia) y sus colegas creen que las posibilidades farmacológicas de las mambalginas son muy prometedoras. Por supuesto, es esencial comprender mejor el dolor para desarrollar nuevos analgésicos. Las mambalginas pertenecen a la familia de las toxinas de tres bucles, como muestra la reconstrucción tridimensional que aparece en la imagen central de la figura que abre esta entrada (esta estructura ha sido obtenida de forma aproximada usando analogías con estructuras conocidas). Las mambalginas son inhibidores potentes, rápidos y reversibles de todos los subtipos de canales ASIC que se expresan en el sistema nervioso central (tanto los ASIC1a, como los ASIC1a+ASIC2A y ASIC1A+ASIC2B). Por tanto, son toxinas muy prometedoras en el campo de los analgésicos, aunque el factor decisivo serán las pruebas en humanos requerirán un proceso largo y lento. El artículo técnico es Sylvie Diochot et al., “Black mamba venom peptides target acid-sensing ion channels to abolish pain,” Nature 490: 552–555 (25 October 2012).

Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC

El modelo estándar de la física de partículas oculta muchos fenómenos que aún no han sido observados. En septiembre de 2012, se realizó una prueba piloto de colisiones de protón contra núcleo de plomo (pPb) a 5,02 TeV en el LHC para preparar las colisiones que se iniciarán en enero de 2013. CMS recopiló dos millones de colisiones pPb, muy pocas, pero suficientes para observar un nuevo fenómeno que aún no tiene explicación (aunque todo el mundo cree que el modelo estándar debería poder explicarlo). Este fenómeno, la existencia de correlaciones angulares entre pares de partículas en colisiones con un gran número de partículas, ya fue observado en septiembre de 2010 en las colisiones de protón contra protón (pp) a 7 TeV. En estas colisiones pp el fenómeno es muy raro, ocurre una vez cada 100.000 colisiones (en 2010 CMS lo observó tras analizar 150 mil millones de colisiones pp). Nunca antes se habían observado estas correlaciones que se parecen a efectos observados en las colisiones de iones pesados en el RHIC (Relativistic Heavy-Ion Collider), también observados por CMS, ATLAS y ALICE en las colisiones de núcleos de plomo contra núcleos de plomo (PbPb) a 2,76 TeV. Sin embargo, el fenómeno observado en colisiones pp y pPb no ha sido confirmado aún ni por ATLAS ni por ALICE. Aunque aún no hay una explicación satisfactoria a este nuevo fenómeno, todo el mundo piensa que no es necesaria física más allá del modelo estándar. Nos lo cuenta Wei Li, Gunther Roland (CMS Heavy Ions group), “Unexplained long-range correlations observed in pPb collisions,” CMS News, Oct. 22, 2012, quienes se hacen eco del artículo técnico de CMS Collaboration, “Observation of long-range near-side angular correlations in proton-lead collisions at the LHC,” arXiv:1210.5482, Subm. 19 Oct. 2012.

Las correlaciones observadas en las colisiones pp, PbPb y pPb aparecen en los eventos con una alta densidad de partículas, por ello son muy raras en las colisiones pp. Para muchos ha sido una sorpresa observar estas correlaciones con tan pocas colisiones pPb, ya que la magnitud de las mismas es similar a las de las colisiones pp. Como muestra la figura, Δφ es el ángulo azimutal relativo (en el plano transversal a los haces que colisionan) entre las trayectorias de cada par de partículas en colisión. El nuevo fenómeno observado es un incremento en el número de pares de partículas para ángulos pequeños. La explicación de este fenómeno debe estar relacionada con la aparición de correlaciones cuánticas de largo alcance en el plasma de quarks y gluones (QGP) formado durante la colisión. En las colisiones pp donde se observa una alta densidad de partículas, éstas se comportan como un QGP; como la física de este fenómeno es muy complicada, aún podemos esperar que se descubran nuevas sorpresas en un futuro próximo.

Francis en ¡Eureka!: El efecto de la Luna y la nueva teoría de su formación

Colisión entre Theia y la Tierra primitiva. Tras un día solo queda la Tierra y un disco de materia.

Te recomiendo escuchar (si no lo has hecho ya) el audio de “Eureka: Formación de la luna,” emitido el domingo a las 03:05 en el programa “La Rosa de los Vientos” de Onda Cero. Te adjunto una versión escrita del contenido (ampliada).

La semana pasada la Luna fue noticia por la publicación de tres nuevas pruebas que apoyan la teoría del “gran impacto” que explica cómo se formó la Luna. Antes de nada, una cuestión que mucha gente se pregunta es, si la Luna es responsable de las mareas, ¿nos influye a nosotros? No, su influencia es completamente despreciable por ser muy pequeña comparada con la influencia de la Tierra. Lo primero, sobre la Tierra en su conjunto, la fuerza de la gravedad del Sol es más grande que la fuerza de la gravedad de la Luna. Sobre el centro de masas de la Tierra, la aceleración debida a la gravedad del Sol es de 5,9 mm/s² mientras que la debida a la Luna es de 3,3 mm/s², es decir, la del Sol es 1,78 veces más grande (estos valores hay que multiplicarlos por la masa de la Tierra para obtener una fuerza, que es enorme debido a que la Tierra es muy grande). Puedes comparar estos valores con la aceleración de la Tierra sobre un cuerpo en su superficie, que vale 9,8 m/s² (unas 1600 veces más grande que la del Sol y unas 3000 veces más grande que la de la Luna). Pero esto no tiene nada que ver con las mareas.

Los océanos, los mares y los grandes lagos se encuentran en equilibrio hidrostático, es decir, la presión compensa a la fuerza de la gravedad. Como su superficie es libre, cualquier perturbación (incluso muy pequeña) hace que la superficie suba o baje, apareciendo fenómenos de pequeña escala, oleaje (debidos a fuerzas débiles como el viento), y de gran escala, las mareas. La Luna (y el Sol) cambian de posición e introducen una pequeña perturbación en este equilibrio, por ello, aunque son fuerzas muy pequeñas pueden producir fenómenos de gran escala como las mareas.

Las fuerzas de marea debidas a la Luna son el doble de grandes que las debidas al Sol. Sin entrar en los cálculos, la aceleración de marea debida a la gravedad de la Luna es de 1,1 µm/s² mientras que la del Sol es de 0,5 µm/s², es decir la de la Luna es 2,2 veces más grande que la del Sol (o si lo prefieres, la del Sol es un 45% la de la Luna). Recuerda, sobre un kilogramo de agua de tu cuerpo, la Tierra ejerce una fuerza de [9,8/1,1 =] 8,9 millones de veces más grande que la de la Luna y [9,8/0,5 =] 19 millones de veces más grande que la del Sol. El efecto de la gravedad de la Luna o del Sol sobre tu cuerpo es ridículo comparado con el de la Tierra. Salvo que la gravedad de la Tierra no te “afecte” porque estás en equilibrio hidrostático, como los oceános.

Tanto la Luna como el Sol producen mareas, aunque las de la Luna son más grandes (como el doble). La causa última de las mareas es la curvatura de la Tierra que hace que haya puntos de la superficie del oceáno que están más cercanos a la Luna (o al Sol) y otros más alejados, con lo que la atracción de la Luna (o del Sol) es más grande en unos que en otros. Las mareas vivas (o altas) se producen con luna nueva (Sol y Luna al mismo lado de la Tierra) y luna llena (Sol y Luna en lados opuestos de la Tierra) por las posiciones del Sol y la Luna. La mareas muertas (o bajas) se producen cuando el Sol y la Luna forman un ángulo recto respecto a la Tierra (p.ej. en cuarto creciente). Las mareas máximas se observan cuando la Luna, la Tierra y el Sol están perfectamente alineados, es decir, cuando la atracción gravitatoria del Sol y la Luna se suman.

El calendario lunar ha sido tanto o más importante en la historia que el solar. Un año (unos 365 días) es demasiado tiempo respecto a un día. El mes lunar (unos 28 días) es una medida de tiempo mucho más razonable y dividirlo en cuatro partes introduce la semana (7 días). Debido a que 365 no es divisible entre 7, el año tiene 52 semanas y 1 día, con lo que los meses no tienen 28 días. Como ya sabes, el calendario solar nació en Egipto para predecir un evento que ocurría una vez al año (la crecida del Nilo en verano). Los romanos introdujeron los actuales 12 meses (con varios cambios de nombre y duración). Pero no se debe olvidar que el mes lunar es el tiempo que la Luna tarda en dar una vuelta sobre su eje (el mismo tiempo que alrededor de la Tierra por eso solo vemos la cara visible) que dura 27 días, 7 horas y 43 minutos, pero que la Luna da una vuelta a sí misma respecto al Sol cada 29 días 12 horas y 44 minutos, el llamado mes sinódico (lo que dura un ciclo completo de las fases de la Luna). La diferencia es debida a que la Tierra se mueve alrededor del Sol y recorre cerca de 1/12 de su órbita solar en un mes lunar. Las mareas se rigen por el mes sinódico, no por el lunar.

¿Influye la Luna en los partos, en la violencia, etc…? Esta influencia está desmontada por múltiples estudios en las últimas décadas que han demostrado que no hay ningún efecto, más allá del sesgo cognitivo. En el libro “The outer edge: Classic investigations of the paranormal,” editado por Joe Nickell, Barry Karr y Tom Genoni (1996), hay un famoso capítulo que desmonta el mito del efecto de la Luna (basándose en más de 100 estudios publicados hasta 1995), “The Moon was Full and Nothing Happened: A Review of Studies on the Moon and Human Behavior and Human Belief,” escrito por Ivan Kelly, James Rotton y Roger Culver (1996). Desde entonces muchos otros estudios han llegado a la misma conclusión. El sesgo cognitivo nos hace interpretar lo hechos en función de nuestros prejuicios y ver relaciones que no existen donde nos han dicho que deberían existir. En las interacciones sociales entre humanos, los sesgos cognitivos influyen muchísimo en la toma de decisiones. Los mitos, las tradiciones, el folclore y el entorno social en el que vivimos nos influye a la hora de interpretar de forma errónea las relaciones entre hechos que no están relacionados; en especial si esta interpretación recibe un refuerzo social por parte de la comunidad que nos rodea. Recomiendo a todos consultar “Full moon and lunar effects” en el Skeptic’s Dictionary.

El efecto real de la Luna sobre el clima de la Tierra o sobre los seres vivos es ridículo. Obviamente, el plano de la órbita de la Luna alrededor de la Tierra está inclinado respecto al plano de la eclíptica (órbita de la Tierra alrededor del Sol) y esta inclinación varía (pero muy lentamente). En un millón de años se estima (por simulaciones por ordenador) una variación periódica de 19 a 28.4° respecto al plano de la eclíptica. El efecto sobre el clima de esta variación no se nota en la escala de la vida de una persona.

La película “Lo imposible” de Bayona, que está muy bien, me ha recordado que se dijo entonces que la Luna llena pudo influir en el tsunami de diciembre de 2004 en Indonesia, lo que obviamente es una chorrada, con perdón, una simple casualidad. En aquel momento la Luna se encontraba casi en el punto más alejado de su órbita, donde su influencia gravitatoria es menor. Prácticamente la única influencia de la Luna sobre la vida en la Tierra es gracias a las mareas (los seres vivos que viven en la región mesolitoral) y por la luz de la Luna llena que permite a algunos animales ver mejor esas noches, lo que hace que cambien un poco ciertos hábitos. Pero es un efecto poco importante.

Cambiando de tema, ¿cómo se formó la Luna? La teoría más razonable para la formación de la Luna es llama teoría del “gran impacto” y se basa en la hipótesis de que hace 4500 millones de años un planeta colisionó contra la Tierra, destruyéndose y formando un disco de materia que dio lugar a la Luna. La versión original de la teoría fue propuesta por dos investigadores llamados Hartmann y Davis en 1975. Su hipótesis original es que la Luna se formó por el impacto de un planeta del tamaño de Marte, llamado Theia o a veces Orfeo, que colisionó a gran velocidad, unos 40000 km/h, contra la Tierra primitiva, produciendo un disco de materia circunterrestre del que nació la Luna por acreción. Esta semana han sido noticia nuevos que apuntan a que hay que modificar algunos detalles de esta teoría.

¿Cómo se les ocurrió a Hartmann y Davis proponer una teoría aparentemente tan descabellada? La razón fueron los análisis de los 382 kg de rocas lunares que trajeron a la Tierra las misiones Apolo. Estas rocas lunares son más antiguas que las rocas más antiguas de la Tierra y son rocas magmáticas con una composición similar a la del manto de la Tierra. Para explicarlo Hartmann y Davis propusieron que una colisión desgajó materia del manto terrestre formando un disco del que surgió la Luna. De hecho, estas rocas lunares son más pobres en elementos volátiles como potasio y sodio que las rocas del mismo tipo en la Tierra y en Marte.

¿Qué son los elementos volátiles?Se llaman elementos volátiles a los que se evaporan a temperaturas menores de 1000 ºC, como el zinc. Si la Luna se formó tras un enfriamiento rápido, gran cantidad de elementos volátiles del disco circunterrestre se tuvieron que evaporar al espacio. Esta semana se ha publicado en Nature un nuevo análisis de las rocas lunares que demuestra que contienen menos isótopos ligeros del zinc (en concreto, Zn-64) que isótopos pesados (Zn-66); de hecho el cociente de estos isótopos es idéntico en las rocas magmáticas de la Tierra y de Marte, pero es un más pequeño en las rocas lunares, lo que apoya firmemente la teoría del gran impacto. Más información en “El cociente isotópico de zinc en las rocas lunares y el origen de la Luna.”

La colisión de un planeta contra la Tierra a 40.000 km/h tuvo que ser colosal. ¿Cómo es posible que se formara un disco de materia estable que dio origen a la Luna? Este era uno de los grandes problemas de la teoría del gran impacto. De hecho, esta semana se ha publicado en Science nuevos resultados de simulaciones en superordenador que apuntan a que el planeta Theia, que impactó contra la Tierra, tenía una masa entre 4 y 5 veces la de Marte, era casi tan grande como la Tierra e impactó de forma oblicua a muy baja velocidad, a solo unos 14 km/h. Las nuevas simulaciones financiadas por Instituto de Ciencia Lunar de la NASA predicen que la colisión fue muy rápida y que el disco de materia se formó en solo un día (unas 26 horas) con una masa total de unas 3 veces la masa de la Luna y una composición muy similar a la de las rocas de la Luna, lo que está en excelente acuerdo con las predicciones de la teoría del gran impacto.

Vamos a intentar aclarar un poco estos números, qué relación hay entre las masas de la Tierra, la Luna y Marte.La Luna no es pequeña, su diámetro es el 25% del diámetro de la Tierra, pero su masa es solo del 1% de la masa de la Tierra. Marte es más grande, su diámetro es del 50% del diámetro de la Tierra (como la mitad que la Tierra o el doble que la Luna), pero su masa es de un 10% de la masa de la Tierra, como diez veces más que la masa de la Luna. La nueva hipótesis publicada esta semana en Science es que Theia era un planeta con una masa del 45% de la masa de la Tierra y un diámetro muy similar al de la Tierra. En una colisión entre dos planetas casi iguales de tamaño tras el primer choque los planetas se separaron y volvieron a chocar resultando nuestro planeta y el disco circunterrestre de materia. En mi entrada “La Luna se formó por el impacto contra la Tierra de un planeta unas 5 veces más grande que Marte” se puede ver un vídeo con una animación de la colisión que es espectacular.

Esta semana también ha sido noticia otro artículo publicado en Science. Otro de los problemas de la teoría del gran impacto es explicar cómo se repartió el momento angular total de la colisión entre la Tierra y Theia, entre la Tierra y el disco circunterrestre que dio lugar a la Luna. Nuevas simulaciones por superordenador también publicadas en Science indican que la Tierra tras el impacto inicial giraba a una velocidad entre 2 y 2 veces y media más rápido que en la actualidad. La Tierra fue perdiendo velocidad mientras la ganaba el disco de materia, que además se fue alejando de la Tierra. Cuando gran parte de la materia del disco superó el límite de Roche, empezó a formarse la Luna, que siguió alejándose de la Tierra frenando su rotación. En la actualidad la Luna aún se sigue alejando (aunque solo a unos 4 centímetros al año) frenando la rotación terrestre.

Realmente, los nuevos descubrimientos que apoyan la teoría del gran impacto para la formación de la Luna son apasionantes.

Si te apatece y no lo has hecho aún, puedes escuchar el audio de “Eureka: Formación de la luna,” emitido el domingo a las 03:05 en el programa “La Rosa de los Vientos” de Onda Cero.

PS (27 oct. 2012): Interesante documental sobre la Luna y sus efectos sobre la Tierra. En el minuto 11:15 aparece una animación de la formación de la Luna por la teoría del gran impacto (un planeta del tamaño de Marte colisiona contra la Tierra primitiva); la animación es poco realista, pero muy espectacular. Merece la pena.

El chorro relativista de la galaxia M87 surge a solo 5,5 radios de Schwarzschild de su centro

Chorro producido en el núcleo activo de la galaxia M87, junto con detalles del chorro de 1999.

El 10% de los núcleos activos de galaxias presentan chorros relativistas alimentados por la acreción de materia en los agujeros negros supermasivos que contienen. Se publica en Science la imagen más detallada de la región de origen del chorro de la galaxia elíptica M87. La imagen es poco vistosa, pero muestra que el chorro nace en una región situada a 5,5 ± 0,4 radios de Schwarzschild del centro galáctico, lo que permite inferir que el superagujero negro de M87 está en rotación (solución de Kerr) y que la materia que cae en el disco de acreción lo hace en el mismo sentido de giro. Este nuevo resultado se ha obtenido gracias a la interferometría de radio con una longitud de onda de 1,3 mm (la imagen de arriba a la izquierda se obtuvo en 1999 con tecnología de 1,3 cm). Lo más interesante es que las simulaciones numéricas predicen ciertas estructuras en los perfiles del chorro cerca del disco de acreción que no han sido observadas. El artículo técnico es Sheperd S. Doeleman et al., “Jet-Launching Structure Resolved Near the Supermassive Black Hole in M87,” Science 338: 355-358, 19 October 2012.

Las regiones centrales de algunas galaxias son muy compactas y tan luminosas que eclipsan al resto de fuentes de energía de dicha galaxia. La explicación más plausible para los núcleos activos de galaxias (AGN), por su pequeño tamaño y su gran potencia, es la acreción de materia en un agujero negro supermasivo (cuya masa es de millones de masas solares, M_☉). Muchos AGN producen potentes chorros de partículas relativistas con una longitud de cientos, e incluso miles, de años luz. Se cree que su origen es la aceleración magnética localizada de la materia que acreta en el agujero negro que es expelida en sendos chorros transversales al disco de acreción. Sin embargo, las dificultades a la hora de observar objetos tan compactos y tan lejanos implican que aún no sabemos si estos agujeros negros son giratorios, o si el momento angular orbital del flujo de materia que acreta es paralelo o antiparalelo al espín del agujero negro.

El nuevo artículo ha estudiado la galaxia M87 que se encuentra a solo 16,7 ± 0,6 Mpc con una masa de (6,2 ± 0,4) × 10 ⁹ M_☉. Su agujero negro supermasivo tiene un radio de Schwarzschild R_SCH = 2 G M/c ² = (5,9 ± 0,4) × 10 ^-4 pc = (1,9 ± 0,12) × 10 ¹⁵ cm, que subtiende un ángulo de 7,3 ± 0,5 microsegundos de arco. El chorro relativista de M87 tiene una longitud de varios cientos de kiloparsecs y se puede observar en varias longitudes de onda (ultravioleta, óptica y de rayos X). Las nuevas observaciones de M87 se realizaron durante 3 días consecutivos con la red VLBI, compuesta por cuatro radiotelescopios, a una longitud de onda de 1,3 mm. Gracias a su gran resolución se ha podido observar el chorro relativista desde una distancia de solo 5,5 ± 0,4 R_SCH (radios de Schwarzschild). Pero lo realmente sorprendente vendrá que se descubra por qué los resultados observados no coinciden con las simulaciones numéricas y qué efectos físicos no se han tenido en cuenta en estas simulaciones.

Nota dominical: En un campo magnético estático, todo objeto puede levitar

Sir André K. Geim (1958-), Premio Nobel de Física en 2010, compartió el Premio Ig Nobel de Física en 2000 con Sir Michael V. Berry (1941-) por haber logrado hacer levitar una rana (un alevín de 1 cm) en un campo magnético estático en 1997 [1]. No fueron los primeros, poco antes J. M. Valles y sus colegas hicieron levitar embriones de rana (Xenopus laevis) para demostrar que podían levitar seres vivos [2]. Geim (Univ. Manchester) utilizó un electroimán de 20 T (teslas) e hizo levitar junto a sus colegas Jan Kees Maan (Univ. Nijmegen), Humberto Carmona y Peter Main (ambos de la Univ. Nottingham) todo los objetos pequeños que tuvieron al alcance de la mano, como saltamontes, gotas de agua, pequeñas flores, avellanas, trozos de queso e incluso trocitos de pizza. Su idea fue repetir los experimentos desarrollados por E. Beaugnon y R. Tournier publicados en Nature en 1991 [3], quienes redescubrieron los experimentos de levitación magnética de materiales diamagnéticos (en concreto trozos pequeños de grafito) de W. Braunbeck en 1939 [4]. Aunque estos experimentos no se pudieron realizar hasta principios del s. XX, porque no había imanes con potencia suficiente, la teoría de la levitación de materiales diamagnéticos fue propuesta por Michael Faraday en 1846, como complemento al teorema de S. Earnshaw (1842), consecuencia de las ecuaciones de Maxwell, que afirma que es imposible la levitación de un imán (objeto paramagnético) en un campo magnético estático (solo es posible hacerlo utilizando campos dinámicos o mediante superconductores, como demostró Arkadiev en 1947). Por cierto, William Thomson (Lord Kelvin) afirmó en 1846 que la propuesta de Faraday sería imposible de verificar pues era imposible construir un imán con potencia suficiente. Obviamente, como ha pasado muchas veces en la historia, estaba equivocado.

Geim nos contó su hazaña en 1998 en Physics Today [5]. Utilizó un electroimán de 20 T, aunque en la región en la que se encontraba la rana solo se alcanzaban los 16 T. Esto es mucho, pero no tanto. Hay imanes permanentes de neodimio que alcanzan 1,5 T y cualquier imán para el frigorífico suele tener unos 0,01 T. La idea de la levitación de cualquier objeto que no sea un imán (un objeto diamagnético) aparece en todos los libros de texto sobre magnetismo, pero la mayoría de los físicos, hasta el famoso trabajo de Geim, pensaban, como Lord Kelvin, que se requerían campos magnéticos demasiado intensos para demostrar el efecto en un laboratorio. Pero cuando se hacen los números salen valores bastante razonables para la tecnología actual. El cociente entre la susceptibilidad magnética y la densidad de la mayoría de los materiales diamagnéticos ronda 10^-5 por gramo y por centímetro cúbico, por lo que la levitación requiere un campo vertical del orden de 30 T²/cm. Con un solenoide de 10 cm de diámetro basta un campo de unos 10 T para hacer levitar objetos de menos de 2 centímetros, pues este es el tamaño de la región geométrica donde el campo magnético puede compensar al campo gravitatorio.

La gran ventaja de la levitación de objetos diamagnéticos en electroimanes a temperatura ambiente, respecto a la levitación de objetos paramagnéticos utilizando imanes superconductores a temperaturas criogénicas, es el bajo coste de los electroimanes de gran potencia (bastan unas decenas de miles de euros). En aplicaciones como la simulación de entornos de microgravedad (como los que se logra en la Estación Espacial Internacional, ISS) no hay comparación posible en el coste. Estudios como los del crecimiento de cristales en microgravedad, o los efectos biológicos de la microgravedad en el crecimiento y desarrollo de plantas y animales, son posibles en un laboratorio en tierra firme gracias a la levitación magnética.

¿Se podría levitar a un niño utilizando esta tecnología? En principio, se puede hacer, pero en la práctica es muy costoso. Lograr campos magnéticos de unos 40 T en una región del tamaño de un metro requiere una inversión económica enorme (el líder de una secta religiosa británica ofreció un millón de libras a quien fabricara una máquina capaz de hacerle levitar en un escenario frente a su público, pero un millón de libras es demasiado poco dinero para lograr hacerlo gracias a la levitación magnética). ¿Son dañinos para un humano los campos magnéticos intensos? En estudios médicos se ha sometido a voluntarios a campos magnéticos de 4 T durante más de 40 horas sin que sufran ningún daño aparente. Más allá se sabe poco sobre este tema.

¿Realmente no se puede hacer levitar un imán utilizando esta técnica? Un objeto paramagnético solo se puede hacer levitar si se utiliza un imán muchísimo más fuerte de tal forma que dicho objeto se comporte de manera efectiva como diamagnético. Es decir, si el campo magnético es tan intenso que el imán en dicho campo se comporta como diamagnético, se puede hacer que levite, pero esto requiere campos demasiado intensos para que sea útil en la práctica. Por cierto, un material diamagnético (como los dedos de una persona) puede hacer levitar un imán sin tocarlo, siempre y cuando la mano y el imán estén de un campo magnético suficientemente intenso. En la imagen de abajo [6], un imán de neodimio (NdFeB) de 1,4 T levita entre los dedos de una persona, bajo un imán superconductor que se encuentra 2,5 metros más arriba que produce un campo de 500 gauss en el punto donde se encuentran los dedos (que son necesarios para lograr que la levitación sea estable, porque al quitarlos el imán deja de levitar).

[1] M. V. Berry, A. K. Geim, “Of flying frogs and levitrons,” European Journal of Physics 18: 307-313 , 1997 [copia pdf gratis].

[2] J.M. Valles, K. Lin, J.M. Denegre, K.L. Mowry, “Stable magnetic field gradient levitation of Xenopus laevis: toward low-gravity simulation,” Biophysical Journal 73: 1130-1133, 1997 [copia pdf gratis].

[3] E. Beaugnon y R. Tournier, “Levitation of organic materials,” Nature 349; 470, 1991; “Levitation of water and organic substances in high static magnetic fields,” Journal de Physique III 1: 1423-1428, 1991.

[4] W. Braunbeck, “Free suspension of bodies in electric and magnetic fields,” Zeitschrift für Physik 112: 735-764, 1939.

[5] A. K. Geim, “Everyone’s Magnetism,” Physics Today 51: 36-39 (1998) [copia pdf gratis].

[6] A. K. Geim, M. D. Simon, M. I. Boamfa, L. O. Heflinger, “Magnet Levitation at Your Fingertips,” Nature 400: 323-324 (1999) [copia pdf gratis].

Más información sobre la órbita del exoplaneta Alfa Centauri B b, el más cercano a la Tierra

Esta recreación artística de la ESO es bastante realista, salvo por la Vía Láctea (su brillo se ha aumentado por un factor de mil millones). Presenta al nuevo exoplaneta (la media luna), la estrella Alfa Centauri B (en el centro) y la estrella Alfa Centauri A (abajo a la izquierda). Un problema asociado a estas representaciones artísticas es que las escalas pueden engañar a algunas personas. Por ello creo que estaría bien ver a escala la órbita del nuevo planeta. Nos la presenta Greg Laughlin, “Alpha Centauri B b,” Systemic, October 16th, 2012.

Quizás esta órbita le dirá poco a muchos lectores, quienes preferirían ver cómo se compara esta órbita con la de los planetas interiores del sistema solar. Pues bien, abajo la tenéis.

Se ha dibujado también la región de habitabilidad de Alfa Centauri B, más pequeña que la de nuestro Sol. Se ve claramente cómo el nuevo exoplaneta está realmente muy cerca de su estrella.

Esta figura muestra la órbita de Alfa Centauri B relativa a Alfa Centauri A. El plano de la trayectoria real está inclinado de tal forma que se ve desde la Tierra como indica la elipse.

Bueno, si te han gustado estas imágenes, puedes visitar la entrada de Greg, Systemic, October 16th, 2012, que nos comenta en detalle cómo se ha realizado el análisis de los datos que ha conducido al descubrimiento.

INTEGRAL detecta titanio-44 en el remanente de la supernova 1987A formado durante la explosión

Imágenes de rayos X duros que demuestran la emisión de Ti-44 en SNR 1987A.

Decía Carl Sagan (1934-1996) que “somos polvo de estrellas”  porque los elementos pesados de nuestro cuerpo, como el magnesio, azufre, silicio, níquel, cobalto, hierro, etc., tienen su origen en las estrellas; cuando éstas explotan como supernovas se esparcen estos elementos pesados por doquier, alcanzan planetas como el nuestro y acaban en nuestro interior. ¿Podemos verificar estas ideas con la reciente supernova 1987A? Para los isótopos de larga vida, como ²⁶Al y ⁶⁰Fe, es fácil hacerlo (ya se publicó hace bastante tiempo). Sin embargo, para los isótopos de vida corta (o radioactivos), como ⁴⁴Ti (vida media de 58 ± 10 años) y ⁶⁰Co (vida media de 5,27 años), los análisis son mucho más complicados. En el caso del ⁴⁴Ti podemos buscarlo en los restos (remanente), SNR 1987A; se publica en Nature esta observación utilizando rayos X duros gracias a INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory). En concreto, se ha detectado la emisión en las líneas de 67,9 y 78,4-keV asociadas al ⁴⁴Ti que se cree que se sintetizó durante la explosión; su masa se estima en (3,1 ± 0,8) × 10⁻⁴ masas solares. Esta cantidad es mayor de la esperada según las simulaciones numéricas de la nucleosíntesis durante la explosión, en un factor entre 1,5 y 2, por lo que se cree que se podido formar por una combustión incompleta del silicio expulsado durante la explosión (durante el pico de luminosidad se detectaron trazas de elementos hasta el calcio que se formaron dentro de la estrella). El artículo técnico es S. A. Grebenev, A. A. Lutovinov, S. S. Tsygankov, C. Winkler, “Hard-X-ray emission lines from the decay of 44Ti in the remnant of supernova 1987A,” Nature 490: 373–375, 18 October 2012.

Más información en español en Kanijo, “La desintegración radiactiva del titanio alimenta a un remanente de supernova,” Ciencia Kanija, 19 octubre 2012 [traducción de esta noticia]. “La desintegración radiactiva del titanio puede haber estado alimentando durante los últimos 20 años el brillo de los restos” de la supernova 1987A, “situada en una de las galaxias satélite de la Vía Láctea, la Gran Nube de Magallanes, lo bastante cerca para verse a simple vista cuando su primera luz llegó a la Tierra en febrero de 1987. Durante el pico de la explosión, se detectaron huellas de los elementos desde el oxígeno al calcio, representando las capas exteriores del material eyectado. Poco después, las señales del material sintetizado en las capas interiores podrían verse en la desintegración radiactiva del níquel-56 al cobalto-56, y su posterior desintegración al hierro-56. Ahora, gracias a más de 1000 horas de observaciones de Integral, se han detectado por primera vez los rayos X de alta energía procedentes del titanio-44 en el remanente de supernova 1987A. Esta es la primera prueba sólida de generación de titanio-44 en la supernova 1987A y en una cantidad suficiente (0,03 % de la masa del Sol) como para haber alimentado los restos durante los últimos 20 años.”