Michael Phelps y la refracción de la luz (o la luna bajo los fuegos de los juegos)

Espectacular foto “The moon and the torch.” La refracción de luz de la Luna a través de la llama de la antorcha da la sensación de que la antorcha esá quemando a la Luna.

Según su autor, Ryan Pierse: “Tras la carrera de los 100 m. miré hacia la Luna y observé que estaba saliendo por encima del estadio. ¡No lo podía creer! ¡Qué suerte! Dejé de tomar fotos del estadio y me preparé para tomar la foto de la Luna. Tuve que esperar varios minutos y la Luna se alineó con la antorcha.”

La refracción de la luz también ha sido importante en la polémica de la décima de segundo entre el americano Michael Phelps y el serbio Mirolad Cavic en la final de los 100 m. mariposa. El artículo “Could Simple Light Refraction be to Blame for the Phelps’ Swimming Controversy?,” de David Gross, August 16th, 2008 , trata de explicarlo.

La foto finish de alta velocidad obtenida con una cámara sumergida debajo de la piscina parece indicar que el serbio va por delante del americano (ver más abajo). Sin embargo, los sensores electrónicos en la llegada afirman lo contrario. La física de la refracción de la luz puede explicar el “efecto visual” y resolver la polémica. De hecho, la cámara fuera de la piscina parece indicar lo contrario y muestra a Phelps llegando primero. La diferencia entre la cámara sumergida y la de la superficie nos indica sin lugar a dudas que la refracción en el agua es la responsable de la polémica.

La refracción de la luz (ley de Snell) es la responsable de que un lápiz sumergido en un vaso de agua parezca “doblado” a la altura de la superficie del agua. Es una ilusión óptica. Dependiendo del ángulo entre la cámara sumergida en la piscina y la superficie del agua es posible observar un fenómeno similar en la foto de los competidores, creando la ilusión de que el serbio llega el primero. De hecho, ambos nadadores tienen sus manos (brazos) sumergidos en la llegada.

En cualquier caso, la polémica no quita que Phelps es el Tarzán de esta olimpiada y uno de los nadadores más poderosos de la historia. A mí lo que no deja de sorprenderme es la gran cantidad de récords del mundo que se baten en natación todas las olimpiadas. La ciencia del deporte tiene mucho que decir al respecto.

Espectaculares simulaciones de la explosión de una supernova tipo Ia

Simulación 3D de la explosión de una estrella enana blanca en una supernova tipo Ia (las que han demostrado la aceleración de la expansión del universo). La simulación utiliza una resolución de 6 km y presenta la densidad y la variable de progreso de la reacción. La burbuja inicial tiene un radio de 18 km. El artículo técnico es “Three-Dimensional Simulations of the Deflagration Phase of the Gravitationally Confined Detonation Model of Type Ia Supernovae” Jordan et al., 2007 [ ArXiv preprint ]. Simulación 3D que presenta la densidad y temperatura.

Las supernovas tipo Ia son una de las estrellas recientes de la astrofísica, dada su importancia como “candelas estándares” en cosmología. Su observación ha permitido demostrar que la expansión del universo se está acelerando así como la presencia de “energía oscura”. ¿Cómo explota una enana blanca para convertirse en supernova Ia? La mayoría de los teóricos creen que una detonación es necesaria. Las simulaciones ilustran este proceso. Las 7 simulaciones presentadas en el artículo se enmarcan en la teoría llamada detonación confinada gravitatoriamente (gravitationally confined detonation, GCD) y tratan de demostrar que la detonación es una fase necesaria en dicha teoría.

En las simulaciones se parte de una enana blanca de 1.38 masas solares, con una composición uniforme de carbono y oxígeno, a partes iguales. Se supone que la enana blanca recibe materia (acreción) de una estrella compañera (normalmente una gigante roja) hasta alcanzar una masa crítica (límite de Chandrasekhar) momento en el que la enana blanca, básicamente una estrella sostenida por la presión generada por el principio exclusión de Pauli aplicado a los electrones libres del carbono y oxígeno, no puede superar la presión gravitatoria, con lo que colapsa, incrementando su temperatura y generando la ignición de su carbono en el núcleo de la estrella. Esta ignición genera un chorro (ilustrado en las animaciones) que parte de su centro y se extende rápidamente hasta las capas más externas.

Los vídeos muestran como la burbuja se vuelve inestable (debido a turbulencias generadas por una inestabilidad de Rayleigh-Taylor) generando una estructura con forma de hongo (como una explosión nuclear) antes del primer segundo. Cuando el hongo alcanza la superficie de la estrella, se rompe y se propaga por la superficie hasta alcanzar el extremo opuesto de la esfera de la estrella, momento en que se produce la detonación que acaba conduciendo a la explosión de la supernova (solamente 1.7 segundos desde el inicio del proceso). Las animaciones muestran muy bien cómo se produce la transición entre una deflagración subsónica hasta una detonación supersónica.

Durante la detonación se quema, en cuestión de segundos, una cantidad de carbono que a una estrella normal le llevaría cientos de años. Esta increíble energía libera una colosal onda de choque que destruye la estrella expulsando toda su masa a velocidades de alrededor de 10.000 km/s. La energía liberada en la explosión también causa un aumento extremo en su luminosidad siendo este tipo de supernovas (el tipo más luminoso de todos). Normalmente no queda ni rastro de la estrella que originó el cataclismo, sólo restos de gas y polvo sobrecalentados en rápida expansión.

Las supernovas de tipo Ia poseen una curva de luz característica. El parecido en las formas y en la magnitud de las curvas de luz de todas las supernovas de tipo Ia observadas hasta la fecha, ha hecho que sean utilizadas como medida estándar de luminosidad en la astronomía extragaláctica, lo que en términos astrofísicos se llama una candela estándar (se pueden calibrar con una décima de magnitud). Gracias a su alta luminosidad pueden ser detectadas en galaxias muy lejanas (con alto corrimiento al rojo). De ahí su importancia cosmológica. Las nuevas simulaciones permiten entender mejor cómo explotan este tipo de supernovas.