El gran papel de los astrónomos y astrofotógrafos aficionados en la Astronomía y Astrofísicas modernas

Dibujo20090806_Deep_image_stellar_tidal_stream_around_NGC_5907_left_NGC 4013_right_top_FSQ-106ED_right_bottom

La astronomía observacional requiere gran luminosidad, lo que se puede lograr con una apertura grande (como el Gran Telescopio de Canarias) o con exposiciones muy largas. La competición entre los astrónomos profesionales por el uso de las grandes instalaciones disponibles impide que puedan usar exposiciones largas. Sólo los astrónomos aficionados pueden hacerlo. Los astrónomos profesionales están empezando a darse cuenta de su enorme importancia en la investigación más puntera. Para mí, el mejor ejemplo es la reciente colaboración entre el astrónomo profesional español David Martínez Delgado y el astrofotógrafo aficionado R. Jay Gabany. Con exposiciones enormemente largas en un telescopio de 12 pulgadas (50 cm.) está visualizando estructuras galácticas inimagibles hace sólo algunos años, que David y su equipo está estudiando con detalle y tratando de comprender gracias a simulaciones numéricas. Un gran avance científico gracias a los aficionados.

¿Quién es R. Jay Gabany? Es el responsable de Cosmotography.com, donde presenta astrofotografías obtenidas mediante telescopios comerciales modestos y cámaras CCD que están optimizadas para tomar exposiciones ultralargas de objetos de bajísima luminosidad. Realmente merece la pena seguir el enlace y ver las maravillosas fotos que presenta, no solo de gran belleza sino también de gran interés científico. Utiliza filtros de diferentes colores y combina las imágenes utilizando Adobe Photoshop y otros software para aficionados. Las imágenes son espectaculares. Las imágenes más antiguas las obtuvo en el casco suburbano de San José, California, con un telescopio de 12 pulgadas tipo Dall-Kirkham cassegrain. La imagen que abre esta entrada corresponde a NGC 5907 (izquierda), NGC 4013 (derecha, arriba) y FSQ-106ED (derecha, abajo). Los chorros de estrellas que atraviesan transversalmente el disco galáctico son espectaculares. Ni el telescopio espacial Hubble logra verlos.

Martínez Delgado, David, descubrió estas extraordinarias fotos surfeando por internet (como nos contó en una conferencia en Málaga) y se quedó boquiabierto: estaba bien lo que sus modelos teóricos predecían, algo que nunca antes había sido observado con telescopios profesionales. Contactó con Gabany, cristalizando una colaboración que ha dado lugar a múltiples artículos de investigación que podemos encontrar en ArXiv.

Dibujo20090806_Penarrubia_et_al_numerical_simulations_stelar_stream_jets_on_NGC_4013El primero de los que aparecen en ArXiv es David Martínez-Delgado, Michael Pohlen, R. Jay Gabany, Steven R. Majewski, Jorge Peñarrubia y Chris Palma, “Discovery of a Giant Stellar Tidal Stream Around the Disk Galaxy NGC 4013,” Astrophysical Journal 692: 955-963, 2009 (ArXiv preprint, Submitted on 30 Jan 2008). Presenta el descubrimiento de grandes chorros (bucles) estelares que atraviesan el plano galáctico de NGC 4013. La magnitud óptica de estos chorros es 27, con lo que habían pasado desaparcebidos para búsquedas anteriores gracias a telescopios profesionales. El análisis de David mediante simulaciones por ordenador mostraba que estos chorros estelares eran debidos a la pérdida de estrellas por parte de pequeñas galaxias satélites que orbitan la galaxia principal y que sufren fuerzas gravitatorias de marea. Lo sorprendente es que las simulaciones por ordenador se parecen a los resultados observados si se tiene en cuenta la presencia de materia oscura en la galaxia satélite. Inicialmente, los chorros están formados por materia oscura (no visibles) ya que ésta se encarga de proteger el interior de materia ordinaria de la galaxia satélite. Sólo cuando la materia oscura empieza a escasear, la materia ordinaria (estrellas) empieza a aparecer en los chorros, con lo que estos aparecen visibles. La verdad es que es increíble el importante papel de la materia oscura en estos chorros estelares gigantes alrededor de las galaxias.

El segundo artículo en ArXiv es David Martínez-Delgado, Jorge Peñarrubia, R. Jay Gabany, Ignacio Trujillo, Steven R. Majewski, Michael Pohlen, “The ghost of a dwarf galaxy: fossils of the hierarchical formation of the nearby spiral galaxy NGC 5907,” Astrophysical Journal 689: 184-193, 2008 (ArXiv preprint, Submitted on 8 May 2008). Muestra los grandes chorros estalares debidos a galaxias satélites en la galaxia espiral NGC 5907. El análisis mediante simulaciones gravitatorias de N cuerpos conduce a resultados similares a los del artículo anterior. En este artículo se empieza a hablar del concepto de “arqueología galáctica.” Las animaciones a partir de las simulaciones por ordenador son espectaculares y merece la pena verlas. Y la foto original en color también. ¡Chapó para Gabany!

La imagen que abre esta entrada aparece en el tercer artículo en ArXiv es David Martínez-Delgado, R. Jay Gabany, Jorge Peñarrubia, Hans-Walter Rix, Steven R. Majewski, Ignacio Trujillo, M. Pohlen, “A pilot survey of stellar tidal streams in nearby spiral galaxies,” Invited talk in “Hightlights of Spanish Astrophysics V”, Proceedings of the VIII Scientific Meeting of the Spanish Astronomical Society (SEA), Springer (ArXiv preprint, Submitted on 17 Dec 2008). Es un artículo de revisión breve sobre los chorros galácticos de marea.

Finalmente, el último artículo del que nos haremos eco es Ignacio Trujillo, Inma Martinez-Valpuesta, David Martínez-Delgado, Jorge Peñarrubia, R. Jay Gabany, Michael Pohlen, “Unveiling the nature of M94’s (NGC4736) outer region: a panchromatic perspective,” Accepted for publication in Astrophysical Journal, 2009 (ArXiv preprint, Submitted on 28 Jul 2009). El artículo afirma que la tasa de formación estelar en el halo (las afueras) de la galaxia M94 es mucho mayor del que se pensaba. El halo contiene el 23% del total de sus estrellas y contribuye al 10% del total de nuevas estrellas. 

Para mí lo más interesante de estos artículos es el importante papel que las astrofotografías de un astrónomo aficionado (elevado a coautor) que permite verificar los descubrimientos científicos presentados con un “si no lo veo no lo creo.” Entra por la vista que los modelos numéricos son buenos gracias al paciente trabajo de R. Jay Gabany.

El arte y la ciencia unidos cual niño jugando con las olas en la orilla de una playa.

Oscilaciones mecánicas entre dos nanohilos suspendidos como un puente cuando por ellos se propaga luz de fase alternada

Dibujo20090806_Optical_interaction_between_two_coupled_waveguides_a_Schematic_illustration_b_optical_force_between_waveguides_d_Numerical_simulation_result_optical_force

La nanofotónica estudia la interacción de la luz con objetos de escala nanométrica (inferior a su longitud de onda). Un nanohilo canaliza la luz propagando gran parte de la misma en forma de un modo evanescente (fuera del nanohilo). Dos nanohilos muy cercanos oscilan cuando por ellos pasa luz debido a la interacción de estos modos evanescentes que genera fuerzas nanomecánicas. Estas fuerzas tienen un origen completamente clásico y se pueden describir mediante las ecuaciones de Maxwell. Se había observado experimentalmente que estas fuerzas son atractivas pero teóricamente también podrían ser repulsivas. Li, Pernice y Tang han demostrado experimentalmente dicha predicción teórica, mostrando que la diferencia de fase entre la luz guiada por cada nanohilo controla si la picofuerza  (fuerza de piconewton) entre ellos es atractiva o repulsiva. Un nuevo avance en dos campos nanotecnológicos, la nanofotónica y la nanomecánica, que promete el desarrollo futuro de un gran número de nuevos dispositivos nanomecánicas controlados nanofotónicamente. El artículo técnico es Mo Li, W. H. P. Pernice, H. X. Tang, “Tunable bipolar optical interactions between guided lightwaves,” Nature Photonics 3: 464-468, August 2009 (preprint gratis en ArXiv). Por cierto, la información suplementaria es de obligada lectura para los interesados en la descripción teórica del fenómeno. He de confesar que me he enterado de este interesante artículo gracias a Kanijo “Científicos descubren que la fuerza de la luz tiene una energía de “empuje”,” Ciencia Kanija, 5 agosto 2009, que nos traduce un artículo publicado por los servicios de noticias de la Universidad de Yale, a la que pertenecen los autores. El artículo de Kanijo, como no, ha llegado a portada en Menéame. Mi idea es complementar con algunas imágenes y comentarios dicha noticia.

La figura que abre esta entrada os muestra un dibujo del concepto utilizando en el experimento: dos nanohilos suspendidos sobre un sustrato por los que se propagan sendos haces de luz (figura a). La fuerza observada (del orden de piconewtons, pN) que comba los nanohilos depende de la fase relativa entre dichos haces de luz y de la distancia que separa los nanohilos (figura b y d). Para obtener la figura d, los autores han cambiado la longitud de onda de la luz que se propaga por los nanohilos entre 1529 nm. y 1562 nm. (en 330 pasos) lo que es equivalente a variar la distancia de los nanohilos entre unos 50 nm. y unos 500 nm. (ver figura d). Por supuesto, esto es mucho más fácil que fabricar 330 nanopuentes separados múltiples distancias. Es importante destacar que la luz que se propaga por los nanohilos es de una longitud de onda de 1550 nm. (nanómetros) mucho mayor que la separación “efectiva” entre los nanohilos (entre 100 y 500 nm.) de ahí que se produzca una interacción entre los campos electromagnéticos guiados por cada nanohilo.

La clave de esta demostración experimental de un fenómeno previamente predicho teóricamente ha sido la posibilidad de controlar la fase de la luz a través de las nanoguías mediante el uso de acopladores de cristal fotónico (los agujeritos que se ven en la foto b, abajo, en los puentes transversales a las dos nanoguías).

Dibujo20090806_Left_Optical_microscope_image_device_and_Right_Scanning_electron_microscope_image_suspended_coupled_waveguides_photonic_crystal_waveguide_coupler

(a) imagen en el microscopio óptico del dispositivo utilizado y (b) imagen con microscopio electrónico de las dos nanoguías ópticas suspendidas y del acoplador de cristal fotónico.

El efecto del desfase entre los haces de luz en cada nanohilo lo podéis observar en la figura de abajo, obtenida mediante simulaciones numéricas. Cuando hay desfase, la onda de luz en cada nanohilo oscila de forma ligeramente diferente (colores rojo, verde y azul) apareciendo una fuerza efectiva entre cada trozo del nanohilo (la figura de abajo, superior, ilustra los posibles casos que se pueden dar), siendo la fuerza total entre ambos nanohilos la suma de todas estas fuerzas. Dependiendo del desfase la fuerza total es repulsiva o atractiva (la figura de abajo, inferior, muestra el campo electromagnético para 4 desfases diferentes).

Dibujo20090806_Numerical_Field_distribution_along_propagation_direction_of_directional_coupler_for_two_phases_differences